專(zhuān)利名稱(chēng)：具有多個(gè)輸出級(jí)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
已知的數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括包含梯形電阻(resister ladder)的系統(tǒng)，該梯形電阻的元件根據(jù)輸入數(shù)字信號(hào)的大小被有選擇地激勵(lì)，以產(chǎn)生適當(dāng)大小的總輸出模擬信號(hào)。已知的還有采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。通過(guò)該脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，可以產(chǎn)生占空比受輸入數(shù)字信號(hào)大小控制的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。然后，該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)被低通濾波，形成一個(gè)大小依賴(lài)于脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比的模擬信號(hào)。
在包括數(shù)字和模擬部分的電路中，希望盡可能多的電路由數(shù)字電路部分實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電路部分可以通過(guò)集成電路實(shí)現(xiàn)，集成電路相對(duì)便宜，體積小，效率高，并且能承受模擬電路出現(xiàn)的問(wèn)題。
采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在一些級(jí)內(nèi)必定要進(jìn)行數(shù)字電路到模擬電路的轉(zhuǎn)換。這種接口產(chǎn)生另外的限制，因?yàn)橄Ｍ斜M可能少的信號(hào)線被用來(lái)連接電路的數(shù)字部分和模擬部分。這是因?yàn)椋娐返臄?shù)字部分通常由集成電路實(shí)現(xiàn)，具有很小的尺寸以及嚴(yán)格的輸入/輸出連接端數(shù)目。這樣，從電路的數(shù)字部分到模擬部分的所要求的連接數(shù)目越多，可用于完成數(shù)字電路所需的其他功能的連接端數(shù)目就越少。
本發(fā)明提出了提供一種改進(jìn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的問(wèn)題，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器允許采用增大比例的數(shù)字電路，并且要求在電路的數(shù)字部分和模擬部分之間有少量的連接。
從一個(gè)方面看，本發(fā)明提供了一種用于把輸入數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)輸出級(jí)，其中每一個(gè)輸出級(jí)響應(yīng)所述輸入數(shù)字信號(hào)的大小，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)分量，該信號(hào)分量是具有一定信號(hào)幅度的開(kāi)信號(hào)(onsignal)，具有該信號(hào)幅度的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)和關(guān)信號(hào)(off signal)之一，對(duì)于不同的輸出級(jí)，所述開(kāi)信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有不同的信號(hào)幅度，并且被并行耦合到公共求和節(jié)點(diǎn)，以產(chǎn)生一個(gè)求和信號(hào)；以及一個(gè)用于在所述公共求和節(jié)點(diǎn)，對(duì)所述求和信號(hào)的任意脈沖寬度調(diào)制分量進(jìn)行低通濾波，產(chǎn)生所述輸出模擬信號(hào)的低通濾波器。
本發(fā)明應(yīng)用具有不同信號(hào)幅度的多個(gè)輸出級(jí)，每一個(gè)輸出級(jí)工作在開(kāi)/關(guān)方式或脈沖寬度調(diào)制方式。這就使得在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供了具有很好的分辨率的脈沖寬度調(diào)制，而不必需要很大數(shù)目的輸出級(jí)。實(shí)質(zhì)上，低通濾波器是唯一需要模擬實(shí)現(xiàn)的部分，這就滿足了數(shù)模轉(zhuǎn)換器基本上由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的要求。
為了提供一個(gè)能平滑而有效地覆蓋所設(shè)計(jì)的輸出模擬信號(hào)范圍的大的動(dòng)態(tài)范圍，已發(fā)現(xiàn)所述開(kāi)信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)可優(yōu)選為對(duì)于不同的輸出級(jí)，具有對(duì)數(shù)相關(guān)幅度。
在數(shù)字電路中，當(dāng)所述信號(hào)幅度在兩個(gè)輸出值之間以因子2增加時(shí)，該對(duì)數(shù)關(guān)系就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。
輸入數(shù)字信號(hào)值和數(shù)模轉(zhuǎn)換器對(duì)其的響應(yīng)之間的關(guān)系可以表現(xiàn)為不同的形式。但是，本發(fā)明的有利地簡(jiǎn)化的實(shí)施例是那些其中由所述輸入數(shù)字信號(hào)值的一個(gè)或多個(gè)弦位(chord bit)控制哪一個(gè)所述輸出級(jí)產(chǎn)生開(kāi)信號(hào)，哪一個(gè)所述輸出級(jí)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，以及哪一個(gè)所述輸出級(jí)產(chǎn)生關(guān)信號(hào)的實(shí)施例。
可能有多于一個(gè)的輸出級(jí)同時(shí)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制分量信號(hào)。但是，可用來(lái)表示輸入數(shù)字信號(hào)值的位間距(bit space)(或時(shí)隙，是代表時(shí)隙的位)本身就是一個(gè)代價(jià)。存儲(chǔ)模擬信號(hào)的數(shù)字取樣表示所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量可能非常大，因此在任意給定的輸入數(shù)字信號(hào)值中的位間距必須要最大效果地應(yīng)用。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于某一給定的輸入數(shù)字信號(hào)值，只有一個(gè)輸出級(jí)是產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制輸出級(jí)，任何信號(hào)幅度小于該脈沖寬度調(diào)制輸出級(jí)的輸出級(jí)都產(chǎn)生開(kāi)信號(hào)，任何信號(hào)幅度大于該脈沖寬度調(diào)制輸出級(jí)的輸出級(jí)都產(chǎn)生關(guān)信號(hào)。
與指定哪一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生開(kāi)或關(guān)信號(hào)所需的位間距相比，指定脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比到有意義的程度需要更大的位間距。因此，希望在任意給定時(shí)間只有一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。另外，要在模擬信號(hào)幅度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)態(tài)范圍，就必須使低次輸出級(jí)處于開(kāi)狀態(tài)，以提供偏置，且在該偏置之上，脈沖寬度調(diào)制信號(hào)提供一個(gè)附加的精細(xì)控制電平，提高單調(diào)性。
根據(jù)上文，優(yōu)選地為，由所述輸入數(shù)字信號(hào)值的多個(gè)控制域位選擇該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比。
希望數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生兩種極性的模擬信號(hào)，并且因此優(yōu)選地為，由所述輸入數(shù)字信號(hào)值的符號(hào)位選擇該輸出模擬信號(hào)的極性。
低通濾波器可以通過(guò)多種不同的方式實(shí)現(xiàn)。一個(gè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題是數(shù)字電路中當(dāng)驅(qū)動(dòng)低通濾波器時(shí)，生產(chǎn)容差和熱漂移產(chǎn)生的影響，驅(qū)動(dòng)低通濾波器會(huì)導(dǎo)致輸出模擬信號(hào)的絕對(duì)值發(fā)生變化。減小這一問(wèn)題的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是，其中所述低通濾波器包括一個(gè)差分放大器，一個(gè)由預(yù)定占空比的參考信號(hào)導(dǎo)出的參考電壓作為該差分放大器的參考輸入的實(shí)施例。
差分放大器應(yīng)用中的結(jié)合是指由輸出級(jí)產(chǎn)生的信號(hào)分量的變化將伴隨有參考信號(hào)相應(yīng)的變化，而且兩種變化相互抵消，其中差分放大器被由具有預(yù)定占空比的參考信號(hào)導(dǎo)出的參考電壓所修正。
一種簡(jiǎn)單、有效、便宜的控制不同輸出級(jí)的信號(hào)幅度的方法是，其中每一個(gè)輸出級(jí)都包括一個(gè)控制該輸出級(jí)信號(hào)幅度的阻性元件。
當(dāng)所述阻性元件是由一個(gè)或多個(gè)同批生產(chǎn)的、具有共同阻值的電阻構(gòu)成時(shí)，不同輸出級(jí)信號(hào)幅度之間的變化可以被更加精確地控制。
盡管本發(fā)明在多種不同實(shí)現(xiàn)中具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍大和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但在某些實(shí)施例中的優(yōu)點(diǎn)尤其顯著，其中所述實(shí)施例除了包括該阻性元件、低通濾波器之外，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)數(shù)字集成電路。
為了把不同類(lèi)型的信號(hào)分量有效地驅(qū)動(dòng)到公共求和模式，優(yōu)選為每一個(gè)輸出級(jí)都包括一個(gè)產(chǎn)生所述信號(hào)分量的三態(tài)緩沖器。
所選的脈沖寬度調(diào)制模式有多種形式。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換要消耗能量。減小能量的消耗被看作是所期望的目標(biāo)，這是因?yàn)樗梢允贡銛y設(shè)備的工作時(shí)間延長(zhǎng)，并且可以減小熱量的積累。但是，為了提高低通濾波器的效率和輸出模擬信號(hào)的保真度，所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)優(yōu)選為，具有最低的低頻傅立葉分量，該分量滿足所需占空比和該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的過(guò)取樣頻率。
本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以應(yīng)用于其輸入的數(shù)字信號(hào)值代表多種不同的物理實(shí)體的情形。但是，當(dāng)所述輸入數(shù)字信號(hào)值是數(shù)字音頻采樣值，并且由所述輸出模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)音頻換能器時(shí)，本發(fā)明尤其有用。
從另一方面看，本發(fā)明還提供一種用于把輸入數(shù)字信號(hào)值轉(zhuǎn)換成輸出模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，該數(shù)模轉(zhuǎn)換方法包括下列步驟
響應(yīng)于多個(gè)輸出級(jí)的每一個(gè)輸出級(jí)的所述輸入數(shù)字信號(hào)值，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)分量，該信號(hào)分量是具有一定信號(hào)幅度的開(kāi)信號(hào)，具有該信號(hào)幅度的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)和關(guān)信號(hào)之一，對(duì)于不同的輸出級(jí)，所述開(kāi)信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有不同的信號(hào)幅度，并且被并行耦合到公共求和節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生求和信號(hào)；以及在所述公共求和節(jié)點(diǎn)，對(duì)該求和信號(hào)的任意脈沖寬度調(diào)制分量低通濾波，產(chǎn)生所述輸出模擬信號(hào)。
現(xiàn)在將參照附圖，只以舉例的方式，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其中

圖1說(shuō)明了輸入數(shù)字信號(hào)值的實(shí)施例的一種格式；圖2說(shuō)明了將圖1所示輸入數(shù)字信號(hào)值轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的一個(gè)輸出級(jí)；圖3說(shuō)明了帶有低通濾波器的一組圖2所示的輸出級(jí)；圖4說(shuō)明了圖1、圖2和圖3所示系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換特性曲線；圖5說(shuō)明了與圖1、圖2和圖3所示系統(tǒng)的不同弦選擇位有關(guān)的弦操控(chord-steering)；圖6說(shuō)明了圖1、圖2和圖3所示系統(tǒng)的輸入數(shù)字信號(hào)和輸出模擬信號(hào)之間的變換；圖7說(shuō)明了輸入數(shù)字信號(hào)值的另一種實(shí)施例的格式；圖8說(shuō)明了一種將圖7所示輸入數(shù)字信號(hào)值轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的輸出級(jí)；圖9說(shuō)明了帶有低通濾波器的一組圖8所示的輸出級(jí)；圖10說(shuō)明了圖7、圖8和圖9所示系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換特性曲線；圖11說(shuō)明了與圖7、圖8和圖9所示系統(tǒng)的不同弦選擇位有關(guān)的弦操控；圖12說(shuō)明了圖7、圖8和圖9所示系統(tǒng)的輸入數(shù)字信號(hào)值和輸出模擬信號(hào)之間的變換；圖13說(shuō)明了對(duì)于圖7所示輸入數(shù)字信號(hào)值的不同尾數(shù)的脈沖寬度調(diào)制編碼；圖14說(shuō)明了預(yù)定占空比的參考信號(hào)，參考電壓以及供電/干線電壓之間的關(guān)系；圖15說(shuō)明了未校正的模擬信號(hào)和參考電壓的匹配變化；以及圖16說(shuō)明了另外一種實(shí)施例，其中立體聲信號(hào)由兩個(gè)2級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，然后被低通濾波和放大。
圖1說(shuō)明了輸入數(shù)字信號(hào)值2。該輸入數(shù)字信號(hào)值2包括一個(gè)符號(hào)位4，兩個(gè)弦選擇(指數(shù))位6和5個(gè)控制域(尾數(shù))位8。符號(hào)位4控制由數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出模擬信號(hào)的極性。弦選擇位6控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的哪一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生開(kāi)信號(hào)，關(guān)信號(hào)或者脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。這對(duì)應(yīng)于根據(jù)其上包括輸出模擬信號(hào)的圖4的特性曲線選擇一個(gè)特定的弦?？刂朴蛭?控制由數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比。這對(duì)應(yīng)于在圖4中沿著由弦選擇位6所選擇的弦指定一個(gè)具體位置?？刂朴蛭?的5位允許指定32種不同的占空比。
圖2說(shuō)明了數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)10。5位的脈沖寬度調(diào)制解碼器12(實(shí)際中被所有輸出級(jí)共享)把控制域位8轉(zhuǎn)換為具有32種可能的占空比之一的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM。控制域位00000產(chǎn)生16/32的占空比?？刂朴蛭?1111產(chǎn)生31/32的占空比，控制域位的數(shù)字是00001到01110之間時(shí)，產(chǎn)生17/32到30/32的占空比?？刂朴蛭?0000產(chǎn)生0/32的占空比。控制域位11111產(chǎn)生15/32的占空比，在10000到11111之間插入的控制域位產(chǎn)生1/32到14/32的占空比。
弦解碼器14響應(yīng)弦選擇位6，產(chǎn)生弦操控(chord-steering)輸出，并送入到多路調(diào)制器16。依據(jù)弦選擇位6的內(nèi)容，弦解碼器14通過(guò)弦操控位控制多路調(diào)制器16選擇用于多路調(diào)制器輸出的開(kāi)信號(hào)，關(guān)信號(hào)，以及脈沖寬度調(diào)制信號(hào)之一。弦選擇位6到弦操控信號(hào)的映射，對(duì)于不同的輸出級(jí)而不同，因此，對(duì)于任意給定的弦選擇位，一個(gè)多路調(diào)制器將選擇脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，較高一級(jí)的多路調(diào)制器將選擇開(kāi)信號(hào)18，較低一級(jí)的多路調(diào)制器將選擇關(guān)信號(hào)。
符號(hào)位4把輸入信號(hào)送入三態(tài)緩沖器22。三態(tài)緩沖器22由多路調(diào)制器16的輸出選通，并且將其輸出送入到集成電路的輸出墊片(outputpad)24。圖2中輸出墊片24左邊的元件是集成電路的全部。然后，墊片24的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)具有依賴(lài)于輸出級(jí)次序的某一特定值的阻抗元件26。阻抗元件26由同批生產(chǎn)的，具有相同阻值的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。以此種方式，可以實(shí)現(xiàn)不同輸出級(jí)10中各個(gè)阻抗元件26的阻抗值之間精確的對(duì)數(shù)關(guān)系。
圖3說(shuō)明了具有4個(gè)輸出級(jí)10的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這些輸出級(jí)10經(jīng)過(guò)各個(gè)阻抗元件26連接到公共求和節(jié)點(diǎn)28。公共求和節(jié)點(diǎn)28的輸出送入低通濾波器30，該濾波器包括一個(gè)帶有反饋網(wǎng)絡(luò)34的差分放大器32。參考電壓V/2輸入到差分放大器32的非反相輸入端，來(lái)自各個(gè)輸出級(jí)10的求和信號(hào)由公共求和節(jié)點(diǎn)輸入到差分放大器32的反相輸入端。反饋網(wǎng)絡(luò)34具有根據(jù)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)選擇出的部件值，以產(chǎn)生具有明顯低于脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的最低傅立葉分量的截止頻率的低通濾波特性。
參考電壓V/2通過(guò)集成電路(具有到輸出級(jí)的相同的三態(tài)輸出緩沖器，這樣可以修正三態(tài)輸出緩沖器產(chǎn)生的差異)的另外的輸出墊片，由參考信號(hào)電路27產(chǎn)生，其中集成電路產(chǎn)生占空比為50％的參考信號(hào)RS，然后，該參考信號(hào)通過(guò)參考信號(hào)低通濾波器36產(chǎn)生參考電壓V/2。通過(guò)這種方式，由于集成電路，例如由于干線電壓的改變，產(chǎn)生的信號(hào)絕對(duì)值的變化可以被補(bǔ)償，因?yàn)橄嗤淖兓瘜⒃趨⒖茧妷篤/2中發(fā)生，該參考電壓作為差分放大器32的參考點(diǎn)。
圖4說(shuō)明了圖3所示電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換特性曲線。模擬信號(hào)在-480I到+480I之間變化，其中I是提供模擬信號(hào)最小增量的預(yù)定電流(在此情形下，近似為V/(8*R)，其中V是當(dāng)三態(tài)緩沖器22處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)，三態(tài)緩沖器22驅(qū)動(dòng)墊片24所達(dá)到的輸出電壓)。960I的動(dòng)態(tài)范圍將被進(jìn)行10位線性編碼。但是，圖1所述信號(hào)的對(duì)數(shù)表示可以通過(guò)8位編碼實(shí)現(xiàn)此動(dòng)態(tài)范圍。在第一弦38輸入數(shù)字信號(hào)值00到1f(十六進(jìn)制)，并且產(chǎn)生32種可能的間隔為I的輸出模擬信號(hào)電平。第二弦40也產(chǎn)生32種可能的模擬信號(hào)電平，但間隔為2*I。同樣，第三弦42和第四弦44分別產(chǎn)生間隔為4*I和8*I的模擬信號(hào)電平。當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)值的最有效位是“1”時(shí)，表示輸出的模擬信號(hào)是負(fù)值，且相應(yīng)的采用負(fù)值弦38’,40’,42’，和44’。
盡管模擬信號(hào)具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，在高電平時(shí)其分辨率卻低于傳統(tǒng)的線性編碼的情形。但是，在許多實(shí)際的應(yīng)用中，例如音頻信號(hào)，這一點(diǎn)并不重要，因?yàn)閷?duì)數(shù)特性可以與人的聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)很好地匹配，因此對(duì)于音頻取樣值，可以最好地利用該位間距。
圖5說(shuō)明了弦選擇位或指數(shù)位(EXT)與傳輸?shù)讲煌妮敵黾?jí)10的各個(gè)多路調(diào)制器16的弦操控信號(hào)之間的關(guān)系。最低次的輸出級(jí)具有最大幅度的阻抗元件(在此情形下為8*R)，其選擇的輸出用EN
表示。當(dāng)選擇最低次的弦38,38’時(shí)，最低次的輸出級(jí)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度調(diào)制分量，并且關(guān)閉所有高次輸出級(jí)。隨著指數(shù)的增加，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的輸出級(jí)向高次方向移動(dòng)，同時(shí)較低次的輸出級(jí)始終保持開(kāi)狀態(tài)，較高次的輸出級(jí)保持關(guān)狀態(tài)。當(dāng)通過(guò)指數(shù)值11選擇最高次弦44,44’時(shí)，最高次輸出級(jí)(對(duì)應(yīng)于阻抗元件R)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，且所有低次輸出級(jí)產(chǎn)生開(kāi)信號(hào)。
圖6說(shuō)明了輸入數(shù)字信號(hào)值的符號(hào)位，指數(shù)位和尾數(shù)位與信號(hào)分量Iout[n]和被低通濾波的求和信號(hào)Itot之間的關(guān)系。對(duì)于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的輸出級(jí)，圖6中所示的數(shù)值是給定的尾數(shù)和該輸出級(jí)的相對(duì)信號(hào)幅度乘積的占空比。
圖7到圖13說(shuō)明了本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例按照上述第一個(gè)實(shí)施例的原理工作，但在此情形下采用3位指數(shù)(弦選擇位)和4位尾數(shù)(控制域位)。這在圖7中進(jìn)行了說(shuō)明。
圖8顯示了在包括4位脈沖寬度調(diào)制解碼器8和響應(yīng)于三個(gè)指數(shù)位的弦解碼器50的情形下的輸出級(jí)46。多路調(diào)制器52和三態(tài)緩沖器54的工作方式與上述方式相同。
圖9說(shuō)明了一種包括8個(gè)圖8所示輸出級(jí)46的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在此情形下，阻抗元件的阻值介于R到128*R之間。所有來(lái)自輸出級(jí)46的輸出信號(hào)電流分量在被低通濾波前經(jīng)過(guò)公共求和節(jié)點(diǎn)56。參考信號(hào)電路47產(chǎn)生占空比為50％的參考信號(hào)，該參考信號(hào)被參考信號(hào)低通濾波器49進(jìn)行低通濾波。
圖10說(shuō)明了圖9所示的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的特性曲線。該特性曲線包括8個(gè)弦，分別被不同的指數(shù)值選擇。各個(gè)弦中的最大值分別為16I,48I,112I,240I,496I,1008I,2032I和4080I。特性曲線總的動(dòng)態(tài)范圍是8160I。該動(dòng)態(tài)范圍通常需要13位碼進(jìn)行線性表示。在此對(duì)數(shù)表示中，只需8位碼，但是步長(zhǎng)開(kāi)支在最后的弦增加到128I。每個(gè)弦具有16種可能的等間隔電平。
圖11說(shuō)明了指數(shù)值與弦解碼器50的弦操控輸出之間的關(guān)系。這種關(guān)系的模式與上面圖5所示的實(shí)施例的模式相同。隨著指數(shù)的增加，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的輸出級(jí)級(jí)次增加，同時(shí)較低次的輸出級(jí)被開(kāi)啟，較高次的輸出級(jí)被關(guān)閉。
圖12說(shuō)明了第二個(gè)實(shí)施例中的符號(hào)位，指數(shù)位和尾數(shù)位與信號(hào)分量和總和信號(hào)之間的關(guān)系。同第一個(gè)實(shí)施例相比較，以較大的步長(zhǎng)開(kāi)支實(shí)現(xiàn)了較高的動(dòng)態(tài)范圍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種折衷在音頻信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換中是有意義的。
圖13說(shuō)明了尾數(shù)值和圖8所示4位脈沖寬度調(diào)制解碼器48所輸出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)之間的關(guān)系。尾數(shù)值1000產(chǎn)生0/16的占空比，該占空比被在其16個(gè)時(shí)隙(過(guò)取樣頻率*16)內(nèi)保持關(guān)狀態(tài)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)表示。尾數(shù)值(控制域位)0000產(chǎn)生8/16(50％)的占空比，其中脈沖寬度調(diào)制信號(hào)在16個(gè)過(guò)取樣時(shí)隙的每一個(gè)時(shí)隙內(nèi)交替關(guān)閉和開(kāi)啟。可以通過(guò)8個(gè)連續(xù)的關(guān)時(shí)隙，伴隨8個(gè)連續(xù)的開(kāi)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)50％的占空比。然而，這種解碼器將具有較高的低頻傅立葉分量，這是很難被低通濾掉的。因此，為了提高所導(dǎo)出的模擬信號(hào)的保真度，采用高頻模式。
在圖8所示的實(shí)施例中，輸入的數(shù)字信號(hào)值在輸出之前要進(jìn)行一定程度的數(shù)字信號(hào)處理。該數(shù)字信號(hào)處理可以用來(lái)補(bǔ)償諸如由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器引入的相移而引起的頻率變化之類(lèi)的因子。如果要求100％占空比的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，那么可以通過(guò)把取樣數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字信號(hào)處理的預(yù)處理電路中實(shí)現(xiàn)，該預(yù)處理電路迫使取樣數(shù)據(jù)處于過(guò)范圍(over-range)狀態(tài)，同時(shí)此過(guò)范圍狀態(tài)被傳到4位脈沖寬度調(diào)制解碼器48。這是通過(guò)圖13中的底線來(lái)說(shuō)明的。
圖14說(shuō)明了一種包括具有50％占空比，電平在零和供電電壓Vrail之間變化的方波的參考信號(hào)。參考信號(hào)的均值(經(jīng)低通濾波后)等于干線電壓的一半，并在電路的其它部分用作參考電壓。
圖15說(shuō)明了由于未修正模擬信號(hào)(公共節(jié)點(diǎn)信號(hào))的惡化而引起的變化是如何與參考電壓的變化所匹配的，例如a/b基本上等于c/d。在此方式中，電壓漂移、偏差，以及由于電路的容限引起的其它問(wèn)題可以通過(guò)把差分放大器的參考電壓作為參考輸入電平而被修正。
圖16說(shuō)明了具有兩個(gè)2級(jí)音頻通道AOL,AOR的另一個(gè)實(shí)施例，其中每一個(gè)通道都伴有一個(gè)相關(guān)的低通濾波器，并且放大器連接于此。輸出Aref經(jīng)低通濾波后作為參考電壓Vref。此參考電壓Vref輸入到兩個(gè)通道的濾波和放大電路，用來(lái)補(bǔ)償由集成電路產(chǎn)生的信號(hào)AOL,AOR和Aref的變化。
權(quán)利要求
1．一種用于使輸入的數(shù)字信號(hào)值(2)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)(Vout)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)輸出級(jí)(10)，其中每一個(gè)輸出級(jí)響應(yīng)所述輸入數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)分量，該信號(hào)分量是具有一信號(hào)幅度的開(kāi)信號(hào)(1)，具有該信號(hào)幅度的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM)和關(guān)信號(hào)(0)之一，對(duì)于不同的輸出級(jí)，開(kāi)信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有不向的信號(hào)幅度，并且被并行耦合到公共求和節(jié)點(diǎn)(28)，產(chǎn)生和信號(hào)；以及一個(gè)在公共求和節(jié)點(diǎn)對(duì)求和信號(hào)的任意脈沖寬度調(diào)制分量進(jìn)行低通濾波，產(chǎn)生所述輸出模擬信號(hào)的低通濾波器(32,34)。
2．權(quán)利要求1中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中對(duì)于不同的輸出級(jí)，所述開(kāi)信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有對(duì)數(shù)相關(guān)幅度。
3．權(quán)利要求2中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中在兩個(gè)輸出值之間所述輸出信號(hào)幅度以因子2增加。
4．權(quán)利要求2和3中任一權(quán)利要求中的的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述輸入數(shù)字信號(hào)值的一個(gè)或者多個(gè)弦位(6)控制哪一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生開(kāi)信號(hào)，哪一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，以及哪一個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生關(guān)信號(hào)。
5．權(quán)利要求4中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中對(duì)于給定的輸入數(shù)字信號(hào)值，所述輸出級(jí)中只有一個(gè)是產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制輸出級(jí)，信號(hào)幅度小于該脈沖寬度調(diào)制輸出級(jí)的任意輸出級(jí)產(chǎn)生開(kāi)信號(hào)，信號(hào)幅度大于該脈沖寬度調(diào)制輸出級(jí)的任意輸出級(jí)產(chǎn)生關(guān)信號(hào)。
6．權(quán)利要求5中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述輸入數(shù)字信號(hào)值的多個(gè)控制域位(8)為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)選擇一個(gè)占空比。
7．上述任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述輸入數(shù)字信號(hào)值的符號(hào)位(4)選擇多個(gè)所述輸出模擬信號(hào)的極性。
8．上述任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述低通濾波器包括一個(gè)差分放大器(32)，該差分放大器的參考輸入端(V/2)為由預(yù)定占空比的參考信號(hào)導(dǎo)出的參考電壓。
9．上述任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中每一個(gè)輸出級(jí)都包括一個(gè)阻性元件(R)用來(lái)控制該輸出級(jí)的所述信號(hào)幅度。
10．權(quán)利要求9中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述阻性元件由一個(gè)或多個(gè)同批生產(chǎn)的、具有共同阻值的電阻構(gòu)成。
11．權(quán)利要求8和9中任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中除了所述阻性元件和低通濾波器之外，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)數(shù)字集成電路。
12．上述任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中每一個(gè)輸出級(jí)都包括一個(gè)三態(tài)緩沖器(22)，用來(lái)產(chǎn)生所述信號(hào)分量。
13．上述任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有最低的低頻傅立葉分量，該分量滿足所需占空比和該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的過(guò)取樣頻率。
14．上述任一權(quán)利要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述輸入數(shù)字信號(hào)值是數(shù)字音頻采樣值，并且由所述輸出模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)音頻換能器。
15．一種用于把輸入數(shù)字信號(hào)值轉(zhuǎn)換成輸出模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換方法，該數(shù)模轉(zhuǎn)換方法包括下列步驟對(duì)應(yīng)于多個(gè)輸出級(jí)的每一個(gè)輸出級(jí)的所述輸入數(shù)字信號(hào)值，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)分量，該信號(hào)分量是具有一定信號(hào)幅度的開(kāi)信號(hào)，具有該信號(hào)幅度的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)和關(guān)信號(hào)之一，對(duì)于不同的輸出級(jí)，所述開(kāi)信號(hào)和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有不同的信號(hào)幅度，并且被并行耦合到公共求和節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生求和信號(hào)；以及在所述公共求和節(jié)點(diǎn)，對(duì)求和信號(hào)的任意脈沖寬度調(diào)制分量低通濾波，產(chǎn)生所述輸出模擬信號(hào)。
全文摘要
一種具有多個(gè)輸出級(jí)(46)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。每一個(gè)輸出級(jí)(46)包括一個(gè)三態(tài)緩沖器(54),該三態(tài)緩沖器輸出由多路調(diào)制器(52)所選擇的開(kāi)信號(hào),關(guān)信號(hào),或者脈沖寬度調(diào)制信號(hào),其中,多路調(diào)制器(52)由響應(yīng)輸入數(shù)字信號(hào)值的指數(shù)位的弦解碼器(50)控制。如果選擇脈沖寬度調(diào)制信號(hào),那么其占空比由響應(yīng)輸入數(shù)字信號(hào)值的尾數(shù)位的脈沖寬度調(diào)制弦解碼器(48)控制。另外的一個(gè)輸出端提供具有預(yù)定占空比的脈沖寬度調(diào)制信號(hào),作為參考信號(hào),以用來(lái)補(bǔ)償在數(shù)模電路的其余部分的操作過(guò)程中發(fā)生的變化。
文檔編號(hào)H03M1/06GK1217098SQ9618028
公開(kāi)日1999年5月19日 申請(qǐng)日期1996年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月7日
發(fā)明者D·W·弗萊恩 申請(qǐng)人:Arm有限公司