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Dokumentenidentifikation DE102006022603A1 15.03.2007
Titel Datenwandler mit integriertem Mems-Resonatortakt
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Weinstein, Michael J., Loveland, Col., US;
Gurley, Duncan, Loveland, Col., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 15.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006022603
Offenlegungstag 15.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse H03M 1/00(2006.01)A, F, I, 20060515, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03M 1/12(2006.01)A, L, I, 20060515, B, H, DE   H03M 1/66(2006.01)A, L, I, 20060515, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein verbesserter getakteter Datenwandler mit einem MEMS-Schwingresonator (MEMS = mikroelektromechanisches System) offenbart. Der MEMS-Resonator wird als Teil der Taktschaltungsanordnung eines Analog/Digital-Wandlers oder eines Digital/Analog-Wandlers verwendet. Der MEMS-Resonator kann als Frequenzbestimmungselement eines auf einem Chip befindlichen Oszillators oder als Bandpassfilter verwendet werden, das zum Reinigen eines externen Taktsignals verwendet wird.

Beschreibung[de]

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf Analog/Digital- und Digital/Analog-Datenwandler (ADCs und DACs) und auf ein Takten von Datenwandlern.

Analog/Digital-Wandler (ADCs) und Digital/Analog-Wandler (DACs) werden in einer großen Bandbreite von elektronischen Systemen verwendet und verbinden die analoge und die digitale Welt miteinander. Sie werden vielfach als modulare Komponenten sowie als Schlüsselkomponenten bei integrierten System-Auf-Chip-Schaltungen (integrierten SOC-Schaltungen, SOC = system-on-chip). ADCs und DACs sind getaktete Komponenten, die Umwandlungen gemäß einem Taktsignal durchführer. Die Leistungsfähigkeit sowohl von Analog/Digital-Wardlern als auch von Digital/Analog-Wandlern wird durch die Auswirkungen von Takt-Zittern bzw. Takt-Jitter nachteilig beeinflusst. Jitter ist das Ergebnis von unvollkommenen Taktquellen und von Taktsignalausbreitungsproblemen, die Signalreflexionen und Rauschverunreinigung umfassen. Manche Datenwandlertopologien, z.B. Sigma-Delta-Typen, sind besonders empfindlich in Bezug auf Takt-Jitter. Trotz Fortschritten bei der Phasenregelschleifentechnologie (PLL-Technologie, PLL = phased locked loop) bleibt Takt-Jitter ein bedeutendes Hindernis auf dem Weg, die Leistungsfähigkeit von Datenwandlern zu verbessern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen getakteten Einzelchip-Datenwandler mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch einen getakteten Einzelchip-Datenwandler gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein MEMS-Schwingresonator (MEMS = mikroelektromechanisches System) ist mit einem oder mehr Datenwandlern integriert und liefert ein verbessertes Taktsignal. Der MEMS-Resonator kann bei einem auf einem Chip befindlichen Oszillator oder als Bandpassfilter, das durch einen externen Takt getrieben wird, verwendet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen getakteten Digital/Analog-Wandler, wie er in der Technik bekannt ist,

2 einen getakteten Analog/Digital-Wandler, wie er in der Technik bekannt ist,

3 einen MEMS-Resonator,

4 einen Datenwandlertakt, der einen MEMS-Oszillator verwendet, und

5 einen Datenwandlertakt, der ein MEMS-Filter verwendet.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines getakteten Digital/Analog-Wandlers (DAC) 100. Obwohl in der Technik viele Topologien und Implementierungen bekannt sind, verwendet eine verbreitete Implementierung einen R-2R-Widerstandsleiter, der mit digitalen Schaltern verbunden ist. Digitale Daten 110 werden in den DAC 100 eingegeben, wobei die digitalen Daten durch ein Taktsignal 120 zwischengespeichert werden, was die Umwandlung startet. Ein analoger Ausgang in Form einer Spannung oder eines Stroms wird bei 130 ausgegeben.

Wie in 1 gezeigt ist, wird das Taktsignal 120 üblicherweise von einem Oszillator 150 erzeugt, der ein Quarzkristall 160 verwendet, um die Betriebsfrequenz zu bestimmen. Obwohl der Oszillator 150 als einzelner Block gezeigt ist, kann er in der Praxis ein komplexes Teilsystem für sich sein, das Frequenzvervielfacher und Phasenregelschleifen enthält.

Im Idealfall ist das Taktsignal 120 präzise und einheitlich und verändert sich nicht mit der Zeit oder bei Umweltschwankungen. In der realen Welt können jedoch Unvollkommenheiten vorliegen. Die Auswirkung derartiger Unvollkommenheiten des Taktsignals auf den DAC 100 besteht darin, die Zeit, zu der die Umwandlung stattfindet, zu verändern, was bewirkt, dass die Umwandlung früher oder später als gewünscht erfolgt. Eine Quelle von Unvollkommenheiten des Taktsignals ist Takt-Jitter. Jitter kann durch Rauschen in dem Taktsignal selbst, zum Beispiel von einem Phasenrauschen in einer Phasenregelschleife, die das Taktsignal erzeugt, bewirkt werden. Jitter kann durch Übertragungsleitungseffekte wie z.B. Rauschverunreinigung oder Impedanzfehlanpassungen beim Verteilen eines Taktsignals über eine komplexe integrierte Schaltung oder über eine gedruckte Schaltungsplatine eingeführt werden. Umweltveränderungen wie z.B. Temperaturverschiebungen können außerdem die Betriebsfrequenz von Komponenten wie z.B. Quarzkristallen verändern.

Das Ausmaß an Takt-Jitter, das bei einem Wandler tolerierbar ist, hängt von der Umwandlungsgeschwindigkeit und der Anzahl der wertigen Bits ab. Bei Mehrbit-Umwandlungssystemen mit hoher Geschwindigkeit kann ein Takt-Jitter einer Nanosekunde äquivalent zu mehreren Bits der Auflösung sein, wodurch eine Verzerrung in das umgewandelte Signal eingeführt wird.

2 zeigt einen getakteten Analog/Digital-Wandler, wie er in der Technik bekannt ist. Der Analog/Digital-Wandler (ADC) 200 nimmt ein analoges Eingangssignal 210 an und erzeugt eine digitale Darstellung dieses Signals als Ausgang 220. Die Umwandlung wird durch ein Taktsignal 230 gesteuert. Je nach der ADC-Topologie leitet dieses Taktsignal den Umwandlungsvorgang ein, und es kann auch eine andere Schaltungsanordnung wie z.B. Abtasten- und Halten-Stufen (S/H-Stufen, S/H = sample and hold) steuern. Der Umwandlungstakt 230, wie er in der vereinfachten Figur gezeigt ist, wird durch einen Oszillator 240 geliefert, der bei einer durch ein Quarzkristall 250 bestimmten Frequenz arbeitet.

Bezüglich des Digital/Analog-Umwandlungsvorgangs ist die Zeitgebungsgenauigkeit von höchster Bedeutung. Wenn der Umwandlungstakt 230 nicht präzise ist, wird der ADC 200 den falschen Teil des analogen Eingangs 210 abtasten und um. Bei Systemen mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit kann ein Takt-Jitter in der Größenordnung von Nanosekunden äquivalent zu mehreren Bits der Auflösung sein.

Kristallresonatoren, vor allem Quarzkristalle, werden bei digitalen Systemen oft als Zeitgrundlagen verwendet, sind im Grundbetrieb jedoch auf 50 MHz oder weniger beschränkt. Um höhere Frequenzen zu erzielen, müssen Schemata wie Phasenregelschleifen oder eine Frequenzvervielfachung verwendet werden. Derartige Schemata führen üblicherweise Rauschen und Jitter in das resultierende Signal ein.

Kristallresonatoren können von Natur aus physisch nicht als Teil einer integrierten Schaltung hergestellt werden. Frequenzvervielfacher enthalten üblicherweise abgestimmte Schaltungen, die nicht als Teil einer integrierten Schaltung hergestellt werden können. Obwohl ein Großteil der Schaltungsanordnung einer Phasenregelschleife in Form einer integrierten Schaltung erzeugt werden kann, ist die Schaltungsanordnung komplex, und manche Teile, z.B. das Schleifenfilter, beinhalten gesonderte, außerhalb des Chips befindliche Komponenten.

Im Gegensatz dazu werden Resonatoren, die aus mikromechanischen Schwingungssystemen (MEMS) gebildet werden, unter Verwendung standardmäßiger Prozesse zur Herstellung integrierter Schaltungen gebildet. Sie sind kleiner als andere Resonatorsysteme und liefern Qualitätsfaktoren (Q-Faktoren), die um zwei oder mehr Größenordnungen höher sind als die ihrer elektronischen Äquivalente.

MEMS-Resonatoren sind beispielsweise in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2004/0113722 an Bircumshaw et al. mit dem Titel „MEMS Resonator and Method of Making Same", die durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist, beschrieben.

Wie in 3 gezeigt ist, wird ein MEMS-Resonator unter Verwendung standardmäßiger Halbleiterherstellungsprozesse auf einem Substrat 300 hergestellt. Eine Schwingungsmasse 310 weist eine Längsachse auf und ist mittels Halteseilen 320, die senkrecht zu der Längsachse sind, über einem Substrat aufgehängt. Die Halteseile sind an dem Substrat verankert 330. Die Halteseile 320 und die Anker 330 können dazu verwendet werden, die Schwingungsmasse 310 mit einer Vorspannung zu beaufschlagen. Obwohl vorliegende Halbleiterverarbeitungstechniken rechteckige Querschnitte favorisieren, kann praktisch jegliche Form verwendet werden. Kapazitive Platten 340 und 350 werden mit gegenüberliegenden Oberflächen der Schwingungsmasse gekoppelt. Ein Satz von Platten wird üblicherweise dazu verwendet, die Schwingungsmasse zu treiben, während der andere Satz von Platten eine Bewegung erfasst.

Da der MEMS-Resonator unter Verwendung desselben Halbleiterprozesses wie der Datenwandler hergestellt wird, wird der MEMS-Resonator ohne weiteres auf dasselbe Halbleiterstück integriert. Die resultierende Struktur weist eine sehr hohe Q im Bereich von 10.000 bis 100.000 und einen Frequenzbereich auf, der sich bis in die GHz-Region erstrecken kann. Gemeinhin verwendete Quarz-, Keramik- oder piezoelektrische Resonatoren können diese Vorgaben nicht erfüllen und können nicht anhand standardmäßiger Integrierte-Schaltung-Prozesse erzeugt werden, und somit können sie nicht auf dasselbe Halbleiterstück integriert werden wie die übrige Schaltungsanordnung.

Der MEMS-Resonator kann als Frequenzbestimmungskomponente eines auf einem Chip befindlichen Oszillators, der einen Datenwandler treibt, verwendet werden. 4 zeigt eine Topologie, wohingegen in der Technik auch andere Topologien bekannt sind. Bei 4 nimmt der D/A-Wandler 460 digitale Daten 470 und wandelt sie auf der Basis eines Umwandlungstaktes 450 in ein analoges Signal 480 um. Der Umwandlungstakt 450 wird durch Inverter 400 und 430 erzeugt, die mit dem MEMS-Resonator 310 in Reihe geschaltet sind, wobei eine Rückkopplung bei der MEMS-Resonanzfrequenz geliefert wird. Eine Gleichsignalvorspannung kann über Halteseile 320 und Anker 330 an den MEMS-Resonator 310 angelegt werden. Gleichsignalvorspannungsstrukturen sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Der MEMS-Resonator 310 liefert den frequenzselektiven Rückkopplungspfad um den Inverter 400 herum. Der Ausgangs 420 des Inverters 400 treibt den MEMS-Resonator 310 durch die Platte 350, wobei der Eingang des Inverters 400 über eine Erfassungsplatte 340 mit dem Ausgang des MEMS-Resonators 310 verbunden ist. Der Inverter 430 puffert das Signal, wobei sein Eingang 440 mit dem Ausgang 420 des Inverters 400 und der MEMS-Resonatorplatte 350 verbunden ist. Der Ausgang des Oszillators wird von dem Ausgang 450 des Inverters 430 erhalten, wobei der MEMS-Oszillator von der Last getrennt wird. Wie in 4 gezeigt ist, werden der D/A-Wandler 460 und die Inverter 400 und 430 zusammen mit dem MEMS-Resonator auf demselben Substrat 300 hergestellt. Andere in der Technik gebräuchliche Oszillatortopologien können ebenfalls verwendet werden, einschließlich der, aber nicht beschränkt auf die große Menge von Topologien von Hartley, Pierce oder Colpitts.

5 zeigt einen MEMS-Resonator, der als Bandpassfilter für einen Analog/Digital-Wandler-Takt (A/D-Takt) verwendet wird. Ein analoger Eingang 240 speist einen Abtasten-Und-Halten-Block (S/H-Block) 230 einer hohen Geschwindigkeit, der einen analogen Eingang 210 an den Analog/Digital-Wandler (A/D) 200 liefert. Digitale Leitungen 220 liefern eine digitale Darstellung des analogen Eingangssignals. Ein Takten in Bezug auf Abtasten und Halten 230 und den A/D 200 wird durch ein externes Taktsignal 500 geliefert, das einen Pufferverstärker 510 treibt, wodurch eine Trennungsimpedanzanpassung zwischen einem Ausgang 520 und der Eingangsplatte 340 des MEMS-Resonators 310 geliefert wird. Der Eingang 530 des Verstärkers 540 verstärkt den Ausgang der MEMS-Resonatorplatte 350 und trennt sie 550 von der durch die übrige Schaltungsanordnung dargestellten Last. Obwohl Inverter für die Verstärker 510 und 540 gezeigt sind, können auch nicht-invertierende Verstärker verwendet werden. Wie in 5 gezeigt ist, werden die Verstärker 510 und 540 und der MEMS-Resonator auf demselben Substrat 300 hergestellt, das auch den A/D 200 und Abtasten Und Halten 230 umfasst.

Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich veranschaulicht wurden, sollte offensichtlich sein, dass Fachleute Modifikationen und Anpassungen dieser Ausführungsbeispiele ersinnen können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.


Anspruch[de]
Ein getakteter Einzelchip-Datenwandler, der einen in den Chip integrierten MEMS-Resonator umfasst, der das Taktsignal an den Datenwandler liefert. Der Datenwandler gemäß Anspruch 1, wobei der Datenwandler ein Analog/Digital-Wandler ist. Datenwandler gemäß Anspruch 1, wobei der Datenwandler ein Digital/Analog-Wandler ist. Datenwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der MEMS-Resonator die Betriebsfrequenz eines auf einem Chip befindlichen Oszillators bestimmt. Datenwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der MEMS-Resonator als Bandpassfilter für einen außerhalb eines Chips befindlichen Taktes verwendet wird.






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