Title:
DYNAMISCHER ANTI-ALIAS-FILTER FÜR EIN ANALOG-DIGITAL-WANDLER-FRONTEND
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein analoges Frontend-System kann einen Filterbypassschalter aufweisen, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen. Das Verwenden von gebootstrapten Schaltern kann gestatten, dass sowohl die Ladungsinjektion als auch die kapazitive Kopplung der Bypassschalter eines differentiellen Anti-Alias-Filters (AAF) sich in einem Gleichtakt befinden. Ein Differenzeingangssignal des ADW wird durch die Ladungsinjektion und kapazitive Kopplung der Bypassschalter in dem AAF-Filter bis zu einer ersten Ordnung nicht beeinflusst. embedded image




Inventors:
Sharma, Yogesh Jayaraman, Mass. (Norwood, US)
Kalb, Arthur J., Mass. (Norwood, US)
Application Number:
DE102017126562A
Publication Date:
05/17/2018
Filing Date:
11/13/2017
Assignee:
ANALOG DEVICES, INC. (Mass., Norwood, US)
International Classes:



Foreign References:
93916282016-07-12
2017156216212017-06-13
Other References:
„INTERFERENCE-IMMUNE DIAGNOSTIC QUALITY ECG RECORDING FOR WIRELESS PATIENT MONITORING APPLICATIONS” für Arthur J. Kalb et al. und der am 14. November 2016
„INTERFERENCE-IMMUNE DIAGNOSTIC QUALITY ECG RECORDING FOR WIRELESS PATIENT MONITORING APPLICATIONS” an Arthur J. Kalb et al. und der am 1. Mai 2017
„QUANTIZATION NOISE CANCELLATION IN A FEEDBACK LOOP” an Arthur J. Kalb et al.
Attorney, Agent or Firm:
WITTE, WELLER & PARTNER Patentanwälte mbB, 70173, Stuttgart, DE
Claims:
Analoges Frontend(AFE)-System mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, der ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist, wobei das AFE-System Folgendes aufweist:
mindestens einen Abtastkondensator einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, die ausgebildet ist zum Abtasten eines Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung;
eine Verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals; und
die Anti-Alias-Filterschaltung, die an einen Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei die Filterschaltung Folgendes aufweist:
einen Filterwiderstand;
einen Filterkondensator, der an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelt ist; und
den Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist,
wobei, wenn im EIN-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zum Umgehen des Filterwiderstands, wodurch die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterbypassschalter ansteuern kann; und
wobei, wenn im AUS-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zu bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterwiderstand ansteuert.

AFE-System nach Anspruch 1, wobei der Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, Folgendes aufweist:
den Bypassschalter mit einem Eingangsanschluss, der ausgebildet ist zum Empfangen des Eingangssignals, einem Ausgangsanschluss und dem Steueranschluss, und;
mindestens einen Bootstrap-Kondensator; und
mehrere Bootstrap-Schalter, die ausgebildet sind zum:
wenn sich der Filterbypassschalter im AUS-Zustand befindet, Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an eine Versorgungsspannung zum Laden des mindestens einen Bootstrap-Kondensators auf die Versorgungsspannung, Koppeln des Steueranschlusses des Bypassschalters an den Eingangsanschluss des Bypassschalters und Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von 1) dem Steueranschluss des Bypassschalters und 2) dem Eingangsanschluss des Bypassschalters, und
wenn sich der Filterbypassschalter im EIN-Zustand befindet, Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von der Versorgungsspannung und Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an 1) den Steueranschluss des Bypassschalters und 2) den Eingangsanschluss des Bypassschalters zum Anlegen einer Kombination aus der Versorgungsspannung und einer Spannung des Eingangssignals an den Steueranschluss des Bypassschalters.

AFE-System nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend:
eine Steuerschaltung, die ausgebildet ist zum Verwalten von Schalterkonfigurationen der mehreren Bootstrap-Schalter.

AFE-System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Bypassschalter ein einzelner Transistor ist.

AFE-System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Bypassschalter ein einzelner Typ von Feldeffekttransistor (FET) ist, der nur einer eines N-FET oder eines P-FET ist.

AFE-System nach Anspruch 5, wobei der Ausgangsanschluss ein Drainanschluss ist, wobei der Eingangsanschluss ein Sourceanschluss ist, wobei der Steueranschluss ein Gateanschluss ist, und
wobei die mehreren Bootstrap-Schalter ausgebildet sind zum:
wenn sich der Filterbypassschalter in dem AUS-Zustand befindet, Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an eine Versorgungsspannung zum Laden des mindestens einen Bootstrap-Kondensators auf die Versorgungsspannung, Koppeln des Gateanschlusses des Filterbypassschalters an den Sourceanschluss des Bypassschalters und Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von 1) dem Gateanschluss des einzelnen Bypassschalters und 2) dem Sourceanschluss des einzelnen Bypassschalters und
wenn sich der Filterbypassschalter in dem EIN-Zustand befindet, Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von der Versorgungsspannung und Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an 1) den Gateanschluss des einzelnen Bypassschalters und 2) den Sourceanschluss des einzelnen Bypassschalters zum Anlegen einer Kombination aus der Versorgungsspannung und einer Spannung des Eingangssignals an den Gateanschluss des einzelnen Bypassschalters.

AFE-System nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Abtastkondensator den Filterkondensator beinhaltet.

AFE-System nach einem vorhergehenden Anspruch in Kombination mit einer Elektrokardiogramm(EKG)- Messschaltung.

Verfahren zum Betreiben eines analogen Frontend(AFE)-Systems mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, der ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist;
Bereitstellen mindestens eines Abtastkondensators einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, die ausgebildet ist zum Abtasten des Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung;
Bereitstellen einer Verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals; und
Koppeln der Anti-Alias-Filterschaltung an den Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung, wobei die Anti-Alias-Filterschaltung Folgendes aufweist:
einen Filterwiderstand;
einen Filterkondensator, der an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelt ist; und
den Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist, und
wobei, wenn im EIN-Zustand, das Eingangssignal empfangen und der Filterbypassschalter gesteuert werden zum Umgehen des Filterwiderstands, damit die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterbypassschalter ansteuern kann; und
wobei, wenn im AUS-Zustand, das Eingangssignal empfangen und der Filterbypassschalter gesteuert werden zum Bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterwiderstand ansteuert.

Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bereitstellen der Anti-Alias-Filterschaltung mit dem Filterbypassschalter, in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet, Folgendes beinhaltet:
Bereitstellen des Filterbypassschalters mit einem Eingangsanschluss, ausgebildet zum Empfangen des Eingangssignals, einem Ausgangsanschluss und dem Steueranschluss;
Bereitstellen mindestens eines Bootstrap-Kondensators; und
Bereitstellen mehrerer Bootstrap-Schalter, wobei das Verfahren weiterhin Folgendes aufweist:
wenn sich der Filterbypassschalter im AUS-Zustand befindet, Steuern der mehreren Bootstrap-Schalter zum Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an eine Versorgungsspannung zum Laden des mindestens einen Bootstrap-Kondensators auf die Versorgungsspannung, Koppeln des Steueranschlusses des Bypassschalters an den Eingangsanschluss des Bypassschalters und Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von 1) dem Steueranschluss des Bypassschalters und 2) dem Eingangsanschluss des Bypassschalters, und
wenn sich der Filterbypassschalter im EIN-Zustand befindet, Steuern der mehreren Bootstrap-Schalter zum Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von der Versorgungsspannung und Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an 1) den Steueranschluss des Bypassschalters und 2) den Eingangsanschluss des Bypassschalters zum Anlegen einer Kombination aus der Versorgungsspannung und einer Spannung des Eingangssignals an den Steueranschluss des Bypassschalters.

Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Bereitstellen des Filterbypassschalters das Bereitstellen eines einzelnen Transistors beinhaltet.

Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Bereitstellen des Filterbypassschalters das Bereitstellen eines einzelnen Typs von Feldeffekttransistor (FET) beinhaltet, der nun einer eines N-FET oder eines P-FET ist.

Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen des Filterbypassschalters mit einem Eingangsanschluss, ausgebildet zum Empfangen des Eingangssignals, einem Ausgangsanschluss und dem Steueranschluss Folgendes beinhaltet:
Bereitstellen des Filterbypassschalters mit einem Sourceanschluss, ausgebildet zum Empfangen des Eingangssignals, einem Drainanschluss und einem Gateanschluss.

Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Filterkondensator mindestens einen Abtastkondensator der ADW-Schaltung beinhaltet.

Elektrokardiogramm(EKG)-Messschaltung, aufweisend:
ein analoges Frontend(AFE)-System mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, der ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist, wobei das AFE-System Folgendes aufweist:
mindestens einen Abtastkondensator einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, die ausgebildet ist zum Abtasten des Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung;
eine Verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals; und
die Anti-Alias-Filterschaltung, die an den Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei die Filterschaltung Folgendes aufweist:
einen Filterwiderstand;
einen Filterkondensator, der an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelt ist; und
den Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist,
wobei, wenn im EIN-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zum Umgehen des Filterwiderstands, wodurch die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterbypassschalter ansteuern kann; und
wobei, wenn im AUS-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zu bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterwiderstand ansteuert.

EKG-Messschaltung nach Anspruch 15, wobei der Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, Folgendes aufweist:
den Bypassschalter mit einem Eingangsanschluss, der ausgebildet ist zum Empfangen des Eingangssignals, einem Ausgangsanschluss und dem Steueranschluss, und;
mindestens einen Bootstrap-Kondensator; und
mehrere Bootstrap-Schalter, die ausgebildet sind zum:
wenn sich der Filterbypassschalter im AUS-Zustand befindet, Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an eine Versorgungsspannung zum Laden des mindestens einen Bootstrap-Kondensators auf die Versorgungsspannung, Koppeln des Steueranschlusses des Bypassschalters an den Eingangsanschluss des Bypassschalters und Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von 1) dem Steueranschluss des Bypassschalters und 2) dem Eingangsanschluss des Bypassschalters, und
wenn sich der Filterbypassschalter im EIN-Zustand befindet, Entkoppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators von der Versorgungsspannung und Koppeln des mindestens einen Bootstrap-Kondensators an 1) den Steueranschluss des Bypassschalters und 2) den Eingangsanschluss des Bypassschalters zum Anlegen einer Kombinationsspannumg aus der Versorgungsspannung und einer Spannung des Eingangssignals an den Steueranschluss des Bypassschalters.

EKG-Messschaltung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Bypassschalter ein einzelner Transistor ist.

EKG-Messschaltung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Bypassschalter ein einzelner Typ von Feldeffekttransistor (FET) ist, der nur einer eines N-FET oder eines P-FET ist.

EKG-Messschaltung nach Anspruch 18, wobei der Ausgangsanschluss ein Drainanschluss ist, wobei der Eingangsanschluss ein Sourceanschluss ist und wobei der Steueranschluss ein Gateanschluss ist.

EKG-Messschaltung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der mindestens eine Abtastkondensator den Filterkondensator beinhaltet.

Description:
ANSPRUCH DER PRIORITÄT

Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorzug der Priorität der am 13. November 2016 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 62/421,344 mit dem Titel „INTERFERENCE-IMMUNE DIAGNOSTIC QUALITY ECG RECORDING FOR WIRELESS PATIENT MONITORING APPLICATIONS” für Arthur J. Kalb et al. und der am 14. November 2016 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 62/421,650 mit dem Titel „INTERFERENCE-IMMUNE DIAGNOSTIC QUALITY ECG RECORDING FOR WIRELESS PATIENT MONITORING APPLICATIONS” an Arthur J. Kalb et al. und der am 1. Mai 2017 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 62/492,406 mit dem Titel „QUANTIZATION NOISE CANCELLATION IN A FEEDBACK LOOP” an Arthur J. Kalb et al., wobei alle Inhalte von jeder hierin unter Bezugnahme aufgenommen sind.

GEBIET DER OFFENBARUNG

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein integrierte Schaltungen und insbesondere unter anderem rauscharme Präzisionseingangsstufen für Analog-Digital-Wandler.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

In vielen Elektronikanwendungen kann ein Analog-Digital-Wandler (ADW) ein Phänomen in der realen Welt, z. B. Licht, Schall, Temperatur oder Druck, darstellende analoge elektrische Signale in ein digitales Ausgangssignal unter Verwendung digitaler Verarbeitung, beispielsweise für weitere Signalverarbeitung, übersetzen. Beispielsweise kann in Präzisionsmesssystemen eine Elektronik mit einem oder mehreren Sensoren vorgesehen sein, um Messungen vorzunehmen und analoge Signale zu generieren. Die analogen Signale können an einen ADW geliefert werden, um ein digitales Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung zu generieren.

ADWs werden an vielen Plätzen wie etwa Breitbandkommunikationssystemen, Audiosystemen, Receiversystemen usw. angetroffen. ADWs können in einem breiten Bereich von Anwendungen einschließlich Kommunikation, Energie, Gesundheitspflege, Instrumentierung und Messung, Motor- und Leistungssteuerung, industrieller Automatisierung und Luft- und Raumfahrt/Verteidigung verwendet werden.

KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG

Analog-Digital-Wandler (ADWs) können für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden, einschließlich beispielsweise bei Anwendungen der drahtlosen Patientenüberwachung. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein zu lösendes Problem das Aliasing aufgrund des Abtastens von Außerbandrauschen oder -störung ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein vor eine ADW-Schaltung gekoppelter dynamischer Anti-Alias-Filter (AAF) einen Bypass-Schalter aufweisen kann, der aufgrund einer Ladungsinjektion und kapazitiver Kopplung, wenn der Bypass-Schalter ausschaltet, eine signifikante Ladung in den AAF-Filterkondensator injizieren kann, was am ADW-Eingang einen Differentialfehler verursachen kann. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben dieses Problem durch die Erkenntnis gelöst, dass ein gebootstrapter Bypass-Schalter in den dynamischen AAF-Filter integriert werden kann, was die Ladungsinjektion und die kapazitive Kopplung vom Eingangssignal unabhängig macht. Dadurch können die Einschwingzeitanforderungen erheblich gelockert werden, wodurch man einen besseren Kompromiss zwischen Rausch-Aliasing und Stromverbrauch/Bandbreite des den AAF-Filter und den ADW ansteuernden Verstärkers erhalten kann.

Bei einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung ein analoges Frontend(AFE)-System mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, ausgebildet zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung (clock feedthrough), der von einem Eingangssignal unabhängig ist. Das AFE-System weist auf: mindestens einen Abtastkondensator einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, die ausgebildet ist zum Abtasten eines Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung, eine Verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals, und die Anti-Alias-Filterschaltung, die an einen Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei die Filterschaltung Folgendes aufweist: einen Filterwiderstand; einen Filterkondensator, der an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelt ist; und den Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist, wobei, wenn im EIN-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zum Umgehen des Filterwiderstands, wodurch die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterbypassschalter ansteuern kann; und wobei, wenn im AUS-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zu bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterwiderstand ansteuert.

Bei einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben eines analogen Frontend(AFE)-Systems mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, der ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen mindestens eines Abtastkondensators einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung, die ausgebildet ist zum Abtasten des Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung, Bereitstellen einer Verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals, und Koppeln der Anti-Alias-Filterschaltung an den Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung, wobei die Anti-Alias-Filterschaltung Folgendes aufweist: einen Filterwiderstand, einen Filterkondensator, der an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelt ist, und den Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist, wobei, wenn im EIN-Zustand, das Eingangssignal empfangen und der Filterbypassschalter gesteuert wird zum Umgehen des Filterwiderstands, damit die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterbypassschalter ansteuern kann, und wobei, wenn im AUS-Zustand, das Eingangssignal empfangen und der Filterbypassschalter gesteuert wird zum Bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterwiderstand ansteuert.

Bei einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung eine Elektrokardiogramm(EKG)-Messschaltung, aufweisend: ein analoges Frontend(AFE)-System mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, der ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist. Das AFE-System weist mindestens einen Abtastkondensator einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung auf, die ausgebildet ist zum Abtasten des Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung; eine Verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals; und die Anti-Alias-Filterschaltung, die an den Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei die Filterschaltung Folgendes aufweist: einen Filterwiderstand; einen Filterkondensator, der an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelt ist; und den Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist, wobei, wenn im EIN-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zum Umgehen des Filterwiderstands, wodurch die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterbypassschalter ansteuern kann; und wobei, wenn im AUS-Zustand, der Filterbypassschalter ausgebildet ist zu bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den mindestens einen Abtastkondensator durch den Filterwiderstand ansteuert.

Dieser Überblick soll ein Überblick des Gegenstands der vorliegenden Patentanmeldung liefern. Er soll keine ausschließliche oder erschöpfende Erläuterung der Erfindung liefern. Die detaillierte Beschreibung ist enthalten, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.

Figurenliste

In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit verschiedenen Buchstabensuffixen können verschiedene Instanzen von ähnlichen Komponenten darstellen. Die Zeichnungen zeigen allgemein beispielhaft, aber nicht als Beschränkung, verschiedene, in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.

  • 1 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung implementieren kann.
  • 3 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet.
  • 4 zeigt das Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung von 3 mit dem Filterbypassschalter in einem EIN-Zustand.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines analogen Frontend(AFE)-Systems mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter darstellt, ausgebildet zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist, unter Verwendung verschiedener Techniken der vorliegenden Offenbarung.
  • 6 ist ein Beispiel einer schematischen Darstellung des analogen Frontend-Systems der 2-4 in Kombination mit einer Elektrokardiogramm(EKG)-Messschaltung.

In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit verschiedenen Buchstabensuffixen können verschiedene Instanzen von ähnlichen Komponenten darstellen. Die Zeichnungen zeigen allgemein beispielhaft, aber nicht als Beschränkung, verschiedene, in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Anti-Alias-Filterschaltungen (AAF) können vor einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Eingangsstufe (oder einem Frontend) verwendet werden, um ein Aliasing (aufgrund von Abtastung) von Außerbandrauschen/-interferenz in einen Inbandsignalbereich zu verhindern durch Filtern des Außerbandfrequenzgehalts. Der AAF kann eine Tiefpassfilterschaltung, eine Bandpassfilterschaltung, eine Hochpassfilterschaltung usw. sein. Ein Verstärker kann verwendet werden, um das Eingangssignal zu verstärken und den ADW-Frontend durch den AAF-Filter anzusteuern. Die Bandbreite des AAF-Filters kann ein Kompromiss zwischen einer Einschwingzeit, die erwünscht ist, um Präzisionsanforderungen zu erfüllen, und einer Zurückweisung von Außerbandrauschen/-interferenz sein.

Dynamische AAF-Filter können verwendet weiden, um diese Beschränkung zu überwinden, wie in dem eigenen US-Patent Nr. 9,391,628 mit dem Titel „Low noise precision input stage analog-to-digital converters“ an Colin Lyden et al. beschrieben. Ein dynamischer AAF-Filter kann einen Bypassschalter aufweisen, mit dem der AAF-Filter umgangen werden kann, so dass der Verstärker einen ADW-Abtastkondensator während einer kurzen Zeitperiode direkt ansteuern kann, um eine schnelle Einschwingdauer zu erzielen. Später kann der Bypassschalter ausgeschaltet werden und der Verstärker kann den ADW-Abtastkondensator durch den AAF-Filter während der finalen Einschwingdauer ansteuern. Während dieser Periode kann der AAF-Filter das Außerbandrauschen/die Außerbandinterferenz dämpfen, bevor der ADW das Eingangssignal abtastet.

Eine Herausforderung bei dynamischen AAF-Filtern, z. B. in einem analogen Frontend (AFE), kann darin bestehen, dass der Bypassschalter aufgrund von Ladungsinjektion und kapazitiver Kopplung, wenn der Bypassschalter ausschaltet, eine signifikante Ladung in den AAF-Filterkondensator injizieren kann, was einen Fehler bewirken kann. Diese Fehler können eine Funktion der Eingangsspannung sein und können einen Differenzsignalfehler verursachen. Dieser Differenzfehler sollte bis zu der Zeit, zu der der Eingangsabtastkondensator des ADW auf den Haltezustand geht, „eingeschwungen“ sein. Somit kann ein signifikantes Ausmaß der Abtastperiode in diesem Modus verbracht werden, um die Präzisionseinschwinganforderungen zu erfüllen, was die Zeit reduzieren kann, die für das direkte Einschwingen des Verstärkers zur Verfügung steht. Dies kann zu einem größeren Stromverbrauch im Verstärker führen, damit eine breitere Verstärkerbandbreite ein schnelleres Einschwingen erhält.

Wie unten ausführlich beschrieben, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass ein Filterbypassschalter, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, zum Lösen der oben erwähnten Probleme verwendet werden kann. Das Verwenden von gebootstrapten Schaltern kann gestatten, dass sowohl die Ladungsinjektion als auch die kapazitive Kopplung der Bypassschalter des Differenz-AAF-Filters ein Gleichtaktmodus sind. Der gebootstrapte Schalter kann ein einzelner Typ von Transistor sein, z. B. einer eines N-FET oder eines P-FET, wobei das Gate zu der Eingangsspannung angesteuert werden kann, wenn der Schalter AUS ist, aber zu der Eingangsspannung plus der Versorgungsspannung angesteuert werden kann, wenn der Schalter EIN ist. Somit wird das Differenzeingangssignal des ADW bis zu einer ersten Ordnung nicht durch die Ladungsinjektion und die kapazitive Kopplung der Bypassschalter in dem AAF-Filter beeinflusst. Bei einigen Implementierungen wurden nur 30% der Abtastperiode verwendet, wenn der AAF-Filter aktiv war, was den Stromverbrauch des Verstärkers stark reduzierte.

1 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung 10. Die dynamische AAF-Schaltung 10, die Teil eines analogen Frontend(AFE)-Systems 11 sein kann, kann einen Filterbypassschalter 12, einen Filterwiderstand 14 und einen Filterkondensator 16, der an einen Anschluss des Filterwiderstands 14 gekoppelt ist, aufweisen. Der Filterbypassschalter 12 kann beispielsweise ein Transmissionsgatter mit einem ersten Transistor 18 und einem zweiten Transistor 20 sein. Bei einigen Beispielen können der erste und zweite Transistor 18, 20 Feldeffekttransistoren sein, wobei der erste Transistor 18 ein erster Typ ist, z. B. ein P-Typ, und der zweite Transistor 20 ein zweiter Typ ist, z. B. ein N-Typ. Wie in 1 zu sehen ist, können der erste und zweite Transistor 18, 20 unter Verwendung von komplementären Steuersignalen ϕ und ϕ_bar gesteuert werden, so dass beide Transistoren 18, 20 über einen größeren Bereich von Spannungen, als sie es individuell sein würden, EIN oder AUS sind.

Das AFE-System 11 kann weiterhin eine Verstärkungsschaltung 22 aufweisen, z. B. einen kapazitiven Gain-Verstärker (CGA) mit einem Eingang zum Empfangen eines Eingangssignals 24 und einem Ausgang, der ausgebildet ist zum Anlegen eines Signals an den Filterbypassschalter 12. Beispielsweise kann die Verstärkungsschaltung 22 einen Eingang zu der dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung 10 bereitstellen, und die dynamische Anti-Alias-Filterschaltung 10 kann ein gefiltertes Signal an eine Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung 26 zur Umwandlung in ein digitales Signal ausgeben. Beispielsweise kann mindestens ein Abtastkondensator einer Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung einen Ausgang der Anti-Alias-Filterschaltung abtasten. Bei einigen Beispielen kann die Verstärkungsschaltung 22 eine Pufferschaltung sein.

Bei einigen Beispielen kann der Filterkondensator 16 einen ADW-Abtastkondensator der ADW-Schaltung 26 beinhalten. Der Bypassschalter 12 kann zum Umgehen der AAF-Filterschaltung verwendet werden, so dass die Verstärkungsschaltung 22 einen ADW-Abtastkondensator während einer kurzen Zeitperiode direkt ansteuern kann. Später kann der Bypassschalter 12 AUS-geschaltet werden und die Verstärkungsschaltung 22 kann den ADW-Abtastkondensator durch die AAF-Filterschaltung während der finalen Einschwingdauer ansteuern. Der AAF-Filter kann Außerbandrauschen/-interferenz dämpfen, bevor der ADW das Eingangssignal abtastet.

Wenn in 1 der Filterbypassschalter 12 eingeschaltet wird, kann die Verstärkungsschaltung 22 den Filterkondensator 16, z. B. einen ADW-Abtastkondensator, durch Umgehen des Filterwiderstands 14 ansteuern. Dann kann der Filterbypassschalter 12 ausgeschaltet werden, was den Filterwiderstand 14 mit der Verstärkungsschaltung 22 verbindet, und das Eingangssignal von der Verstärkungsschaltung 22 kann durch den RC-Filter an den ADW geliefert werden, der den Filterwiderstand 14 und den Filterkondensator 16 aufweist.

Wenn der Filterbypassschalter 12 eingeschaltet ist und der Eingang unter Vdd/2 liegt, kann der zweite Transistor 20, z. B. ein N-Bauelement, aktiv sein, doch kann der erste Transistor 18, z. B. ein P-Bauelement, ausgeschaltet sein. Wenn der Filterbypassschalter 12 ausgeschaltet wird, können zwei Fehlerquellen auftreten: Ladungsinjektion und Taktdurchleitung. Die Ladungsinjektion kann Fehler hervorrufen, weil die Kanalladung in den Drain- und Sourceanschluss des Transistors abgeleitet wird, wenn der Transistor ausschaltet. Die Taktdurchleitung kann Fehler hervorrufen, weil das Steuersignal ϕ und ϕ_bar, z. B. ein Taktsignal, das beispielsweise in die Schaltung über die Gate-Drain- oder Gate-Source-Überlappungskapazität einkoppelt.

Wenn der Schalter einschaltet, kann die Kanalladungsinjektion durch den zweiten Transistor 20 sowohl zu der Source als auch zu dem Drain aufteilen, weil aber die Eingangsimpedanz am Filterkondensator 16 unter der Eingangsimpedanz des Verstärkers 22 liegt, geht der größte Teil der Gateladung zum Filterkondensator 16. Ein analoges Verhalten kann auftreten, wenn der Eingang über Vdd/2 liegt, wenn der erste Transistor 18 eingeschaltet ist, aber der zweite Transistor 20 ausgeschaltet ist. Somit kann die Eingangsspannung zu dem ADW durch die Ladungsinjektion des Bypassschalters, die sich mit der Eingangsspannung des AAF-Filters ändert, verfälscht werden.

Die Ladungsinjektion am Bypassschalter kann durch die folgenden Gleichungen 1 und 2 beschrieben werden: QchnWnLnCox(ϕHVINVtn)embedded imageQchpWpLpCox(VINϕL|Vtp|)embedded image

Gleichung 1 beschreibt die N-Kanal-Ladungsinjektion, und Gleichung 2 beschreibt die P-Kanal-Ladungsinjektion. In den Gleichungen 1 und 2 befinden sich ϕH (z. B. 5 Volt (V)) und ϕL (z. B. 0 V) auf dem hohen und niedrigen Pegel des Filterbypassschalters 12, VIN ist die Eingangsspannung (z. B. 0-5 V), Vtn ist die N-Kanal-Schwellwertspannung, Vtp ist die P-Kanal-Schwellwertspannung, W und L sind Breite und Länge des Transistors und Cox ist die Oxidkapazität des Transistors.

In Gleichung 1 ist die N-Kanal-Ladungsinjektion eine Funktion der Differenz zwischen ϕH und VIN. Wenn die Spannung VIN steigt und sich ϕH nähert, nimmt die N-Kanal-Ladungsinjektion ab. Die P-Kanal-Ladungsinjektion ist eine Funktion der Differenz zwischen VIN und ϕL. Wenn die Spannung VIN ansteigt, steigt die P-Kanal-Ladungsinjektion an.

Bei einer Eingangsspannung VIN nahe einem mittleren Bereich können sich die N-Kanal- und P-Kanal-Ladungsinjektionen einander aufheben. Während sich jedoch die Eingangsspannung VIN der hohen oder niedrigen Seite eines Bereichs nähert, heben sich die N-Kanal- und P-Kanal-Ladungsinjektion einander möglicherweise nicht auf.

Obwohl die Schaltung in 1 massebezogen gezeichnet ist, kann sie auch in einer Differenzkonfiguration geschaltet sein. Eine Differenzkonfiguration kann zu einem signifikanten Spannungsstoß am Ausgang führen (z. B. 2 mV), wenn sich bei einer Annäherung der Eingangsspannung VIN an die hohe oder niedrige Seite eines Bereichs das P-Kanal-Bauelement Ladung in den Filterkondensator 16 injizieren kann, während das N-Kanal-Bauelement ausgeschaltet ist, oder umgekehrt. Dieser Spannungsstoß kann durch den RC-Filter aus dem Filterwiderstand 14 und dem Filterkondensator 16 beruhigt werden, doch kann dies eine signifikante Einschwingzeigt erfordern.

Wenn, wie oben erwähnt, der Filterbypassschalter 12 ausgeschaltet wird, kann die Taktdurchleitung eine andere Fehlerquelle sein. Die Taktdurchleitung kann durch Gleichung 3 unten beschrieben werden: Vout=VinColCol+C(ϕHϕL)embedded image

In Gleichung 3 sind ϕH und ΦL der hohe und niedrige Pegel des Steuersignals, z. B. des Taktsignals, des Filterbypassschalters 12, Col ist die Überlappungskapazität des Transistors, und C ist die Kapazität des Ausgangstransistors, z. B. des Filter-/Abtastkondensators 16. Falls die Differenz zwischen ϕH und ϕL ein fester Wert ist, ist der verursachte VOUT-Spannungsstoß der gleiche ungeachtet des Eingangs. Als solches ist die Ausgangstaktdurchleitung nicht signalabhängig. Falls aber ϕH oder ϕL eine Funktion der Eingangsspannung ist, dann ist der verursachte VOUT-Spannungsstoß eine Funktion der Eingangsspannung.

Bei einigen Implementierungen kann lediglich zu Veranschaulichungszwecken ein 4/1-CMOS-Schalter mit einem 8 pF-Filterkondensator aufgrund der Ladungsinjektion für eine Eingangsdifferenzspannung von 1,2 V einen 3 mV-Ausgangsfehler bewirken. Es kann jedoch wünschenswert sein zu erreichen, dass sich der Eingang des ADW auf unter 5 uV einschwingt. Als solches wurde eine RC-Zeitkonstante (tau) von 6,4 benötigt. Bei einer 240 Kilohertz (kHz) AAF-Filterschaltung beträgt tau 660 Nanosekunden (ns). Ein tau von 6,4 ist jedoch gleich 4,2 us, was der Verstärkungsschaltung 22, z. B. dem CGA, keine Zeit lässt einzuschwingen, falls der ADW mit 240 kHz abtastet.

Wie oben angegeben, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung dieses Problem gelöst, indem sie erkannt haben, dass ein gebootstrapter Bypassschalter in den dynamischen AAF-Filter integriert werden kann, was die Ladungsinjektion und die kapazitive Kopplung vom Eingangssignal unabhängig machen kann. Das heißt, die Ladungsinjektion und die kapazitive Kopplung werden im Gleichtakt erfolgen und können zurückgewiesen werden.

2 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung 30, die verschiedene Techniken dieser Offenbarung implementieren kann. Die dynamische AAF-Schaltung 30, die einen Teil eines analogen Frontend(AFE)-Systems 31 bilden kann, kann einem Filterbypassschalter 32 (in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet, wie in 3 und 4 gezeigt), einen Filterwiderstand 14 und einen Filterkondensator 16, der an einen Anschluss des Filterwiderstands 14 gekoppelt ist, aufweisen. Die Filterschaltung 30 kann an den Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung 22 gekoppelt sein.

Bei einigen Beispielen sind der Filterkondensator 16 und ein ADW-Abtastkondensator der ADW-Schaltung 26 der gleiche Kondensator, und bei anderen Beispielen können der Filterkondensator 16 und ein ADW-Abtastkondensator unterschiedliche Kondensatoren sein.

Bei einigen Beispielkonfigurationen kann der Filterbypassschalter 32 ein einzelner Transistor sein, wie in 2 gezeigt. Bei einigen Beispielen kann der Filterbypassschalter 32 ein einzelner Typ von Transistor sein und nur einer eines N-Transistors und eines P-Transistors. Der Transistor kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor (FET) sein, einschließlich unter anderem einem Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und einem JFET (Junction Gate Field Effect Transistor), einem DMOS-Transistor und einem Galliumnitridtransistor.

Wie in 2 zu sehen ist, kann der Filterbypassschalter 32 durch Anlegen eines Steuersignals ϕ an einen Steueranschluss 34 gesteuert werden, um den Schalter 32 EIN ein- oder auszuschalten. Beispielsweise kann der Steueranschluss ein Gateanschluss eines FET sein. Eine Verstärkungsschaltung 22, z. B. ein kapazitiver Gain-Verstärker (CGA), kann einen Eingang zu der dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung 30 liefern, und die dynamische Anti-Alias-Filterschaltung 30 kann ein gefiltertes Signal an eine Analog-Digital-Wandler(ADW)-Schaltung 26 zur Umwandlung in ein digitales Signal ausgeben.

3 zeigt ein Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter, in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet. Insbesondere zeigt die Filterschaltung 30 den Filterbypassschalter 32 in einem AUS-Zustand. Wenn sich der Filterbypassschalter 32 im AUS-Zustand befindet, kann er bewirken, dass die Verstärkungsschaltung 22 oder die Pufferschaltung den Filterkondensator 16, z. B. einen oder mehrere Abtastkondensatoren, durch den Filterwiderstand 14 ansteuert.

Bei der gezeigten Beispielkonfiguration kann die Anti-Alias-Filterschaltung 30 eine Anzahl von Bootstrap-Schaltern aufweisen, als Schalter SW1-SW5 gezeigt, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters 32, z. B. einen Gateanschluss eines Transistors, über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, um den Schalter EIN- oder AUS-zuschalten. Außerdem kann die Filterschaltung 30 einen oder mehrere Bootstrap-Kondensatoren 36 aufweisen. Eine Steuerschaltung 38 eines ADW-Systems mit nicht gezeigten Steuerleitungen, an die Schalter SW1-SW5 gekoppelt, kann den Betrieb der Schalter SW1-SW5 steuern.

Wie in 3 gezeigt, kann die Steuerschaltung 38 den Schalter SW5 schließen, um den Steueranschluss 34 des Filterbypassschalters 32, z. B. eines Gateanschlusses eines FET, an den Ausgang der Verstärkungsschaltung 22 zu koppeln, was wiederum den Filterbypassschalter 32 ausschalten kann. Die Steuerschaltung 38 kann die Schalter SW2 und SW3 öffnen, um den oder die Bootstrap-Kondensatoren 36 von 1) dem Steueranschluss 34 des Bypassschalters 32 und 2) einem Eingangsanschluss 40, z. B. einem Sourceanschluss, des Bypassschalters 32, zu entkoppeln. Wenn die Steuerschaltung 38 die Schalter SW1 und SW3 schließt, können der oder die Bootstrap-Kondensatoren 36 dann auf die Versorgungsspannung VREF, z. B. 5 V, aufladen.

4 zeigt das Beispiel einer dynamischen Anti-Alias-Filterschaltung von 3 mit dem Filterbypassschalter in einem EIN-Zustand. Wenn sich der Filterbypassschalter 32 im EIN-Zustand befindet, kann er den Filterwiderstand 14 umgehen und gestatten, dass die Verstärkungsschaltung 22 den Filterkondensator 16, z. B. einen oder mehrere Abtastkondensatoren, über den Sourceanschluss 40 und den Drainanschluss 42 des Bypassschalters 32 ansteuert.

Wie in 4 zu sehen ist, kann die Steuerschaltung 38 die Schalter SW1 und SW3 öffnen, um den oder die Bootstrap-Kondensatoren 36 von der Versorgungsspannung VREF zu entkoppeln. Die Steuerschaltung 38 kann den Schalter SW5 öffnen und die Schalter SW2, SW4 schließen, um den oder die Bootstrap-Kondensatoren an 1) den Steueranschluss 34 des Bypassschalters 32 und 2) den Eingangsanschluss 40 des Bypassschalters 32 koppeln, um eine Kombination, z. B. eine Summe oder Differenz, aus der Versorgungsspannung VREF und einer Spannung des Eingangssignals 24 VIN an den Steueranschluss 34 des Bypassschalters 32 zu koppeln. Der Steueranschluss 34 des Bypassschalters 32 befindet sich auf einer Spannung VREF + VIN, und der Eingangsanschluss 40 des Bypassschalters 32 befindet sich auf einer Spannung VIN, was zu einer Spannung VREF zwischen dem Steueranschluss 34 und dem Eingangsanschluss 40 führt, z. B. einer Gate-Source-Spannung von VREF, was den Bypassschalter 32 einschalten kann. Man beachte, dass die Gate-Source-Spannung des Bypassschalters 32 von der Eingangsspannung 24 unabhängig ist.

Wieder unter Bezugnahme auf das oben beschriebene Ladungsinjektionsproblem ist, falls der Bypassschalter 32 ein P-Bauelement ist, die Ladungsinjektion eine Funktion der Eingangsspannung VIN minus des niedrigen Pegels ϕL des Bypassschalters 32. Mit dem Bootstrapping-Techniken von 3 und 4 ist die niederpegelige Spannung ϕL die Eingangsspannung VIN, so dass die Ladungsinjektion des Bypassschalters von der Eingangsspannung unabhängig wird.

Falls der Bypassschalter 32 ein N-Bauelement ist, ist die Ladungsinjektion eine Funktion der hochpegeligen Spannung ϕH des Bypassschalters 32 minus der Eingangsspannung VIN. Mit den Bootstrapping-Techniken von 3 und 4 ist die hochpegelige Spannung ϕH die Eingangsspannung VIN plus VREF, so dass die hochpegelige Spannung ϕH (VIN + VREF) minus der Eingangsspannung VIN gleich VREF ist. Auf diese Weise wird die Ladungsinjektion von dem Eingangssignal unabhängig gemacht.

Wieder unter Bezugnahme auf das oben beschriebene Taktdurchleitungsproblem ist die Taktdurchleitung eine Funktion der Differenz zwischen hohen und niedrigen Pegeln ϕH und ϕL des Filterbypassschalters 32. Mit den Bootstrapping-Techniken von 3 und 4 ist die hochpegelige Spannung ϕH die Eingangsspannung VIN plus VREF, und die niederpegelige Spannung ϕL ist die Eingangsspannung VIN. Somit ist die hochpegelige Spannung ϕH (VIN + VREF) minus der niederpegeligen Spannung ϕL (VIN) gleich VREF. Auf diese Weise wird die Taktdurchleitung von dem Eingangssignal unabhängig gemacht.

5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens 50 des Betreibens eines analogen Frontend(AFE)-Systems mit einer Anti-Alias-Filterschaltung mit einem Filterbypassschalter darstellt, der ausgebildet ist zum Bereitstellen einer Ladungsinjektion und/oder einer Taktdurchleitung, die von einem Eingangssignal unabhängig ist, unter Verwendung verschiedener Techniken dieser Offenbarung. Bei Block 52 kann das Verfahren 50 das Bereitstellen eines oder mehrerer Abtastkondensatoren einer ADW-Schaltung beinhalten, die ausgebildet ist zum Abtasten des Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung. Beispielsweise kann das analoge Frontend-System 31 von 2 eine ADW-Schaltung mit einem oder mehreren Abtastkondensatoren, z. B. Kondensator 16, aufweisen, die ausgebildet sind zum Abtasten des Ausgangs der Anti-Alias-Filterschaltung 30.

Bei Block 54 kann das Verfahren 50 das Bereitstellen einer verstärkungs- oder Pufferschaltung mit einem Eingang zum Empfangen des Eingangssignals beinhalten. Beispielsweise kann das analoge Frontend-System 31 von 2 eine Verstärkungs- oder Pufferschaltung 22 zum Empfangen eines Eingangssignals 24 aufweisen.

Bei Block 56 kann das Verfahren 50 das Bereitstellen einer an den Ausgang der Verstärkungs- oder Pufferschaltung gekoppelten Filterschaltung beinhalten, einschließlich des Bereitstellens eines Filturwiderstands, des Bereitstellens eines an einen Anschluss des Filterwiderstands gekoppelten Filterkondensators und des Bereitstellens eines Filterbypassschalters, der in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet ist, um einen Steueranschluss des Filterbypassschalters über oder unter eine Versorgungsspannung zu ziehen, wobei der Filterbypassschalter parallel zu dem Filterwiderstand geschaltet ist, wobei der Filterbypassschalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist. Beispielsweise kann das AFE-System von 2-4 eine Filterschaltung 30 mit dem Filterwiderstand 14, dem Filterkondensator 16 und einem Filterbypassschalter 32, in einer gebootstrapten Konfiguration geschaltet, aufweisen.

Bei Block 56 kann das Verfahren 50 im EIN-Zustand das Steuern des Filterbypassschalters beinhalten zum Umgehen des Filterwiderstands, was gestattet, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den oder die Abtastkondensatoren ansteuert, und im AUS-Zustand den Filterbypassschalter steuert zu bewirken, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung den oder die Abtastkondensatoren durch den Filterwiderstand ansteuert. Beispielsweise kann, wie in 4 zu sehen ist, die Steuerschaltung 38 den Filterbypassschalter 32 dahingehend steuern, einzuschalten und den Filterwiderstand 14 zu umgehen, was gestattet, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung 22 den oder die Abtastkondensatoren, z. B. den Kondensator 16, ansteuert. Wie in 3 zu sehen ist, kann die Steuerschaltung 38 den Filterbypassschalter 32 dahingehend steuern, dass er ausschaltet und bewirkt, dass die Verstärkungs- oder Pufferschaltung 22 den oder die Abtastkondensatoren, z. B. den Kondensator 16, durch den Filterwiderstand 14 ansteuert.

6 ist ein Beispiel einer schematischen Darstellung des analogen Frontend-Systems 31 von 2-4 in Kombination mit einer Elektrokardiogramm(EKG)-Messschaltung 60. Das System 60 kann eine Verstärkungsschaltung 62 mit einem ersten Eingang 64 zum Empfangen eines analogen Eingangssignals 24, die dynamische Anti-Alias-Filterschaltung 30 (mit einem Filterbypassschalter) und eine ADW-Schaltung 26, z. B. eine Sigma-Delta-ADW oder einen SAR(Successive Approximation Register)-ADW, zum Empfangen eines Ausgangs der AAF-Filterschaltung 30 aufweisen. Bei der gezeigten Beispielkonfiguration kann die Verstärkungsschaltung 62 eine Addiererschaltung 66 und eine Verstärkungs- oder Pufferschaltung 22, z. B. einen kapazitiven Gain-Verstärker (CGA), aufweisen.

Der ADW 26 kann ein erstes digitales Ausgangssignal 68 entsprechend dem analogen Eingangssignal 24, generieren, z. B. ein EKG-Ausgangssignal. Wie in 6 zu sehen ist, kann das analoge Signal 70 von einer Digital-Analog-Wandler(DAW)-Schaltung 72 an einen zweiten Eingang 74 der Verstärkungsschaltung 62 angelegt werden. Die Addiererschaltung 66 kann das analoge Ausgangssignal 70 von der DAW-Schaltung 72 von dem ursprünglichen analogen Eingangssignal 24 subtrahieren. Es sei angemerkt, dass die Addiererschaltung 66 zu Konzeptzwecken dargestellt ist, in einigen Konfigurationen aber einen Teil der Verstärkungs- oder Pufferschaltung 22 selbst bilden. Bei einigen Beispielen kann die Subtraktion und die Verstärkung in einem CGA durchgeführt werden, was dann aus Gründen der Linearität in einen hochauflösenden ADW 26, wie etwa einen Sigma-Delta-Wandler, eingespeist werden kann.

Eine Rückkopplungsschleife 76 von 6 kann eine frequenzselektive Filterschaltung 78 zum Empfangen des digitalen Ausgangssignals 68 der ADW-Schaltung 26 und Liefern eines Ausgangssignals 80 an eine Quantisiererschaltung 82, z. B. einen digitalen Sigma-Delta-Modulator, aufweisen. Bei einigen Beispielimplementierungen kann die frequenzselektive Filterschaltung 78 eine Integriererschaltung und/oder eine Tiefpassfilterschaltung aufweisen.

Wie in 6 zu sehen ist, kann die Quantisiererschaltung 82 ein quantisiertes Signal 84 an den DAW 72 ausgeben. Bei einigen Beispielimplementierungen kann der DAW 72 eine rauschgeformte DAW-Schaltung, z. B. ein Sigma-Delta-DAW, sein. Bei einigen Beispielen kann das Filterschaltungsausgangssignal 80 eine erste Anzahl von Bits, z. B. 16 Bit, aufweisen, und das quantisierte Signal 84 kann eine zweite Anzahl von Bits kleiner als die erste Anzahl von Bits, z. B. 7 Bit, aufweisen.

Eine AFE-System-Ausgangsschaltung 86 ein Rekombinationspfad 88 einschließlich beispielsweise einer Skalierschaltung 90 und einer Addiererschaltung 92. Die Addiererschaltung 92 kann eine skalierte Version des quantisierten Signals 84 mit dem digitalen Ausgangssignal 68 von dem ADW 26 kombinieren, um ein Ausgangssignal 90, z. B. ein EKG-Ausgangssignal, zu generieren. Zusammen mit dem Rekonstruieren des Eingangssignals 24 kann diese Rekombination das Quantisierungsrauschen der Quantisiererschaltung 82 im Wesentlichen eliminieren. Zusätzliche Informationen bezüglich des Rekombinationspfads 88 findet man in der am 13. Juni 2017 eingereichten eigenen US-Patentanmeldung Nr. 15/621,621 mit dem Titel „QUANTIZATION NOISE CANCELLATION IN A FEEDBACK LOOP“ an Kalb et al., dessen ganzer Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.

Verschiedene Anmerkungen

Jeder der hierin beschriebenen nicht beschränkenden Aspekte oder jedes der hierin beschriebenen nicht beschränkenden Beispiele kann für sich selbst stehen oder kann mit einem oder mehreren der anderen Beispiele in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen kombiniert werden.

Die obige detaillierte Beschreibung enthält Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der detaillierten Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Die Ausführungsformen werden hierin auch als „Aspekte“ oder „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu den gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ziehen jedoch auch Beispiele in Betracht, bei denen nur jene gezeigten oder beschriebenen Elemente bereitgestellt werden. Zudem ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele unter Verwendung einer beliebigen Kombination oder Permutation jener gezeigten oder beschriebenen Elemente in Betracht (oder eines oder mehrere Aspekte davon), entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind.

Im Fall unstimmiger Verwendungen zwischen diesem Dokument und etwaigen, durch Bezugnahme so aufgenommenen Dokumenten ist die Verwendung in diesem Dokument beherrschend.

In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein/einer/eine“, wie bei Patentdokumenten üblich, so verwendet, dass sie unabhängig von irgendwelchen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ mehr als eines beinhalten. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um sich auf ein nichtexklusives Oder zu beziehen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ beinhaltet, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „mit“ und „in denen“ als Äquivalente im einfachen Englisch der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ verwendet. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „mit“ und „aufweisend“ offen, d. h., ein System, eine Einrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, die Elemente zusätzlich zu jenen nach einem derartigen Ausdruck in einem Anspruch aufgeführten aufweisen, werden weiterhin so angesehen, dass sie in den Schutzbereich dieses Anspruchs fallen. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Kennzeichnungen verwendet und sollen ihren Objekten keine numerischen Anforderungen auferlegen.

Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die ausführbar sind zum Konfigurieren einer elektronischen Einrichtung zum Durchführen von Verfahren wie in den obigen Beispielen beschrieben. Eine Implementierung von solchen Verfahren kann einen Code aufweisen, wie einen Mikrocode, einen Assemblersprachencode, einen Sprachcode auf höherer Ebene oder dergleichen. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Abschnitte von Computerprogrammprodukten bilden. Weiterhin kann bei einem Beispiel der Code dinglich auf einem oder mehreren flüchtigen, nicht-vorrübergehenden oder nichtflüchtigen dinglichen computerlesbaren Medien wie etwa während der Ausführung oder zu anderen Zeiten gespeichert sein. Zu Beispielen für diese dinglichen computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. CDs und DVDs), Magnetkassetten, Speicherkarten oder Sticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Festwertspeicher (ROMs) und dergleichen zählen.

Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht restriktiv sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder eines oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann, der sich die obige Beschreibung ansieht. Die Zusammenfassung wird vorgelegt, um 37 C.F.R. §1.72(b) zu entsprechen, damit der Leser die Natur der technischen Offenbarung schnell ermitteln kann. Sie wird in dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht zum Auslegen oder Begrenzen des Schutzbereichs oder der Bedeutung der Ansprüche verwendet wird. Außerdem können in der obigen detaillierten Beschreibung verschiedene Merkmale miteinander gruppiert werden, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht so ausgelegt werden, dass damit beabsichtigt ist, das ein unbeanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich selbst steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Schutzbereich der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang an Äquivalenten, auf den solche Ansprüche ein Anrecht haben, bestimmt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 62/421344 [0001]
  • US 62/421650 [0001]
  • US 62/492406 [0001]
  • US 9391628 [0013]
  • US 15/621621 [0051]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • „INTERFERENCE-IMMUNE DIAGNOSTIC QUALITY ECG RECORDING FOR WIRELESS PATIENT MONITORING APPLICATIONS” für Arthur J. Kalb et al. und der am 14. November 2016 [0001]
  • „INTERFERENCE-IMMUNE DIAGNOSTIC QUALITY ECG RECORDING FOR WIRELESS PATIENT MONITORING APPLICATIONS” an Arthur J. Kalb et al. und der am 1. Mai 2017 [0001]
  • „QUANTIZATION NOISE CANCELLATION IN A FEEDBACK LOOP” an Arthur J. Kalb et al. [0001]