專利名稱：開關(guān)電流δ－σ調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器，例如用于超頻抽樣模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，特別地，本發(fā)明提供了一種減小功耗和芯片面積的Δ-∑調(diào)制器。
傳統(tǒng)上，模擬電路被廣泛地應(yīng)用于信號處理?？墒墙鼇?，數(shù)字信號處理電路開始與模擬處理電路結(jié)合使用。設(shè)計(jì)構(gòu)造高密度數(shù)字電路相當(dāng)便宜，但是設(shè)計(jì)構(gòu)造模擬電路元件卻相當(dāng)昂貴。因此，在許多信號處理應(yīng)用中，源電路和目標(biāo)電路采用模擬電路，但許多信號處理功能卻通過數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)。因此模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器是非常重要的信號處理元件。
傳統(tǒng)的恩奎斯特A/D轉(zhuǎn)換器一般要求高精度的模擬元件和高性能的去假頻濾波器。因此，優(yōu)選使用超頻抽樣A/D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗恍枰呔鹊哪M元件和高性能的去假頻濾波器。超頻抽樣A/D轉(zhuǎn)換器要求相對來講并不昂貴的高性能數(shù)字電路。一個超頻抽樣A/D轉(zhuǎn)換器，通常包括一個Δ-∑調(diào)制器(模擬電路)和一個數(shù)字分樣濾波器。為了實(shí)現(xiàn)Δ-∑調(diào)制器通常需要使用開關(guān)電容(SC)技術(shù)。然而，開關(guān)電容(SC)技術(shù)要求的線性電容并不適用于數(shù)字互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)基線制造工藝。為了實(shí)現(xiàn)線性電容，在數(shù)字CMOS基線制造工藝需要一些額外的步驟，這就增加了成本。為了在一個全數(shù)字CMOS基線制造工藝中實(shí)現(xiàn)Δ-∑調(diào)制器，需要一種開關(guān)電流(SI)技術(shù)，其中電流是信號的載體。關(guān)于開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器的詳細(xì)論述請參看Nianxiong Tang(1994)所寫的“超頻抽樣A/D轉(zhuǎn)換器和電流模式技術(shù)”和一些相關(guān)出版物。
電路噪聲(例如熱噪聲)比量化噪聲更加限制動態(tài)范圍。在開關(guān)電流電路中，通過增加偏置電流可以在不降低速度的基礎(chǔ)上使動態(tài)范圍得到增加，從而增加最大輸入電流。上面所述的出版物表明偏置電流每增加一倍，任何開關(guān)電流電路的動態(tài)范圍在沒有速度損失的情況下可以提高3dB。對于高階Δ-∑調(diào)制器，熱噪聲比量化噪聲更限制性能。調(diào)制器的動態(tài)范圍由組成的開關(guān)電流電路的動態(tài)范圍所決定。然而，通過增加一個Δ-∑調(diào)制器中所有開關(guān)電流電路的偏置電流來獲得高的動態(tài)范圍，將導(dǎo)致大的功耗和芯片面積的低效使用。
通過在超頻抽樣模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器中引入開關(guān)電流(SI)Δ-∑調(diào)制器，本發(fā)明克服了上面所描述的問題，并且提供了其他的一些優(yōu)點(diǎn)。在兩個例示的實(shí)施例中，本發(fā)明包括一個有相對較大偏置電流的第一積分器，從而有一個相對較大的動態(tài)范圍。例示的調(diào)制器還包括一個或多個有相對較小偏置電流的第二積分器。本發(fā)明的調(diào)制器減小了功耗和芯片面積。所節(jié)省的功耗和芯片面積隨著積分器個數(shù)(也就是調(diào)制器的級數(shù))的增加而增加。
通過閱讀下面對優(yōu)選的實(shí)施例的詳細(xì)描述，并且結(jié)合附圖
，可以獲到對本發(fā)明更加全面的理解。所附圖中相同符號表示相同的元件，其中圖一是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噪聲限制開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器方框圖；圖二是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的四階Δ-∑調(diào)制器方框圖。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的噪聲限制開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器如圖一所示。圖中調(diào)制器10是一個二階調(diào)制器，包括第一加法器12和第二加法器18，第一積分器14和第二積分器20，第一放大器16和第三放大器22，以及一個1比特的電流量化器24。調(diào)制器還包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器26和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器28，以及一個第二放大器30。
第一加法器12接收到一個輸入電流信號，并將輸入電流信號與D/A轉(zhuǎn)換器26的輸出信號相加，D/A轉(zhuǎn)換器26的輸出信號是對電流量化器24的數(shù)字輸出信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的結(jié)果。特別地，第一加法器12把D/A轉(zhuǎn)換器26的轉(zhuǎn)換結(jié)果從輸入電流信號中減掉，產(chǎn)生第一相加信號。第一積分器14對第一相加信號進(jìn)行積分，并將第一積分信號輸入到第一放大器16中，第一放大器16以第一比例系數(shù)a對第一積分信號進(jìn)行放大。第一積分器14被一個第一偏置電流所偏置，這個偏置電流與第二積分器的偏置電流相比要大。根據(jù)實(shí)施例，第一偏置電流大約比第二積分器的偏置電流大四倍。然而，這個比率決定于第一放大器16和第二放大器30的放大比例，下面將進(jìn)行更加詳細(xì)的討論。
第二加法器18將第一放大器16所輸出的第一放大信號與第二放大器30的輸出信號相加。第二放大器30的輸出信號是對電流量化器24所輸出的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后通過第二放大器30以一個第二比例系數(shù)b對該模擬信號進(jìn)行放大的結(jié)果。特別地，第二加法器18將第二放大器30所放大的模擬信號從第一放大信號中減掉，產(chǎn)生第二相加信號。第二積分器20對第二相加信號進(jìn)行積分，并將第二積分信號輸入到第三放大器22中，第三放大器22以第三比例系數(shù)c對第二積分信號進(jìn)行放大。第二積分器20被一個第二偏置電流所偏置，如上所述這個偏置電流比第一偏置電流小。最終，電流量化器24對第二放大信號進(jìn)行量化，產(chǎn)生數(shù)字輸出信號，此數(shù)字輸出信號分別地經(jīng)過第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器26和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器28反饋到第一加法器12和第二加法器18中。優(yōu)選地，電流量化器24是一個一比特的量化器，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器26和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器28是一比特的轉(zhuǎn)換器。
第一積分器14和第二積分器20的傳輸函數(shù)近似為z-1/(1-z-1)，或采用其它合適的傳輸函數(shù)。
在一個Δ-∑調(diào)制器中，只有第一積分器的輸入噪聲限制動態(tài)范圍，因?yàn)樵谄渌?jié)點(diǎn)所引入的低頻噪聲被降噪反饋環(huán)路所抑制，降噪反饋環(huán)路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器26、28和調(diào)制器中的第二放大器30所組成。在一比特電流量化器24之前通過第三放大器22立刻引入比例系數(shù)c，此比例系數(shù)c可以是任意正數(shù)因子而不會對量化器產(chǎn)生影響，因?yàn)榱炕髦粚﹄娏鞣较蛎舾?。有利的是比例因子可以在調(diào)制器內(nèi)分配。當(dāng)輸入電流被按比例減小時，隨后的調(diào)制器級將有一個較小的偏置電流。
因此，在一個噪聲限制開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器中，第一積分器中較大的偏置電流提供了一個大的動態(tài)范圍；如果通過適當(dāng)連接的放大元件例如放大器22和30對信號進(jìn)行合適的放大，在后級積分器中將使用較小的偏置電流。
在傳統(tǒng)的開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)中，比例因子a、b和c的選擇使得在每個積分器的信號波動相等。在傳統(tǒng)的開關(guān)電流實(shí)現(xiàn)中，盡管放大在開關(guān)電容(SC)和開關(guān)電流(SI)中不同，但卻使用相同的標(biāo)線。在一個噪聲限制調(diào)制器中，兩個積分器中都使用大的偏置電流改善了動態(tài)范圍(例如，對每個偏置電流進(jìn)行加倍可能會使動態(tài)范圍增加3dB)。在一個Δ-∑調(diào)制器中(例如圖一和圖二所示)，只要第一積分器有一個足夠的動態(tài)范圍，調(diào)制器可以給出一個大的動態(tài)范圍而無須考慮第二積分器的偏置電流，因?yàn)榈诙e分器中的噪聲經(jīng)過了反饋環(huán)路的噪聲整形。因此，電流在反饋回第二積分器以前可以進(jìn)行較大的縮放。由于第二比例系數(shù)b，第二積分器中的信號波動比第一積分器中的信號波動小得多，因此較小的偏置電流就足夠了。通過在每個積分器中縮放信號的波動，功率和芯片面積可以得到節(jié)省。
第三比例系數(shù)c對信號傳輸和噪聲整形功能不產(chǎn)生影響。比例系數(shù)a和比例系數(shù)b之間的關(guān)系決定于噪聲整形函數(shù)(b=2a)，但是它們的值是可以進(jìn)行選擇的以便對第二積分器中的信號(電流)波動進(jìn)行縮放。如果a=0.5、b=1，那么信號在兩個積分器中的波動是相同的(這對開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器是一般應(yīng)用)。如果a=1/8、b=1/4，那么第二積分器中的信號波動比第一積分器小四倍。很明顯第二積分器中的偏置電流可以比第一積分器小四倍。
上面描述的原理是概述性的，可以被應(yīng)用到任何一個開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器中去。調(diào)制器的階數(shù)越高，這種方法就越有效。為了獲得高的動態(tài)范圍，第一積分器占用了大部分的芯片面積且消耗了大部分功率；其余的積分器可以被設(shè)計(jì)到非常小的芯片面積中去，且功耗較小。因?yàn)檎{(diào)制器的動態(tài)范圍由第一積分器的動態(tài)范圍所限制，所以在第一積分器中使用較大的偏置電流將會提高調(diào)制器的動態(tài)范圍。在高階調(diào)制器中量化噪聲的影響可以被限制的很小。
圖二中的四階Δ-∑調(diào)制器包括兩個二階Δ-∑調(diào)制器10a和10b，它們都基本上與圖一中所示的二階Δ-∑調(diào)制器10相同。在圖二所示的實(shí)施例中，第二調(diào)制器10b在第一D/A轉(zhuǎn)換器26b和第一加法器12b之間增加了一個放大器27b。第一調(diào)制器10a的第二積分器20a產(chǎn)生第二積分信號，第二積分信號以第二比例系數(shù)被第三放大器22a所縮放，這個縮放了的連接信號被作為第二調(diào)制器10b中第一加法器12b的輸入信號。根據(jù)例示的實(shí)施例，這個連接比例系數(shù)近似為1/2。
第一調(diào)制器10a中量化器24a的第一數(shù)字輸出信號輸入到一個輸出延遲元件32中，此延遲元件的輸出信號又被傳輸?shù)降谝惠敵黾臃ㄆ?4和第二輸出加法器36中。第二調(diào)制器10b中量化器24b的第二數(shù)字輸出信號以一個輸出比例系數(shù)被輸出放大器38所縮放?？s放了的第二數(shù)字輸出信號被輸送到第一輸出加法器34中，此第一輸出加法器34將延遲元件的輸出信號從縮放了的第二數(shù)字輸出信號中減掉，從而產(chǎn)生第一相加輸出信號。由第一輸出加法器34所輸出的第一相加輸出信號在輸出微分器40中進(jìn)行微分，微分信號被輸送到第二輸出加法器36中。第二輸出加法器36將輸出微分器40輸出的數(shù)字信號從延遲元件32輸出的延遲輸出信號中減掉，從而產(chǎn)生一個數(shù)字輸出信號。非常吸引人的是本發(fā)明的原理可以被實(shí)施到這個或任意其它一個合適的四階Δ-∑調(diào)制器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。
根據(jù)例示的實(shí)施例，積分器14a、14b、20a和20b的傳輸函數(shù)近似為z-1/(1-z-1)，輸出延遲元件32的傳輸函數(shù)近似為z-2，輸出微分器40的傳輸函數(shù)近似為(1-z-1)2，此外，根據(jù)相同的實(shí)施例，第一放大器16a的比例系數(shù)近似為1/8，放大器27、30a和30b的比例系數(shù)近似為1/4，放大器22a和16b的比例系數(shù)近似為1/2，輸出放大器38的比例系數(shù)近似為4。
在傳統(tǒng)的調(diào)制器中，所有積分器都有相同的信號波動。在本發(fā)明的調(diào)制器中，例如第一積分器的信號波動比所有其它積分器的信號波動要大四倍。縮放不改變信號傳輸和噪聲整形功能。然而，除了第一積分器外其它積分器的偏置電流都可以非常的小，功耗和芯片面積都能夠被減小。
如上所述，通過充分利用開關(guān)電流電路的信號波動獨(dú)立于輸入電壓的事實(shí)，并且通過減小信號波動，本發(fā)明給出了一種改進(jìn)的開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器，功耗和芯片面積都被大大的減小。為了在開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器中獲得大的動態(tài)范圍，第一積分器中大的信號波動提供了大的動態(tài)范圍。不管什么樣的電路構(gòu)造和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第一積分器的動態(tài)范圍是開關(guān)電流Δ-∑調(diào)制器動態(tài)范圍的基本限制。根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制器在第一積分器中維持一個大的信號波動，同時通過縮放減小所有其它積分器的信號波動。這樣，一個有大的動態(tài)范圍、低功耗和較小芯片面積的調(diào)制器就可以被實(shí)現(xiàn)了。
盡管前面的描述包括了許多細(xì)節(jié)和詳細(xì)說明，但只能認(rèn)為這些是為了說明目的，而不能解釋為對發(fā)明的限制。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然可以在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)對上面描述的實(shí)施例作很多修改，這將由下面的權(quán)利要求和其法律等同物限定。
權(quán)利要求
1.一個Δ-∑調(diào)制器，包括一個第一加法器將一個模擬電流輸入信號與一個數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果相加，產(chǎn)生一個第一相加信號；一個第一積分器，對第一相加信號進(jìn)行積分，此第一積分器具有一個第一偏置電流；一個第一放大器，以第一比例系數(shù)對第一積分信號進(jìn)行放大；一個第二放大器，對數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行放大；一個第二加法器，將第一放大信號與第二放大信號進(jìn)行相加，產(chǎn)生一個第二相加信號；一個第二積分器，對第二相加信號進(jìn)行積分，此第二積分器具有一個比第一偏置電流小的第二偏置電流；一個第三放大器，以一個第三比例系數(shù)對第二積分信號進(jìn)行放大；以及一個電流量化器，對第三放大信號進(jìn)行量化，產(chǎn)生一個數(shù)字輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中第一和第二積分器具有一個近似為z-1/(1-z-1)的傳輸函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中第三比例系數(shù)近似為第一比例系數(shù)的兩倍。
4.根據(jù)對于權(quán)利要求3的調(diào)制器，其中第三比例系數(shù)近似為1/4，第一比例系數(shù)近似為1/8。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，還包括一個數(shù)字濾波器，對數(shù)字輸出信號進(jìn)行濾波。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中電流量化器為一比特量化器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，還包括至少一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對數(shù)字輸出信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的調(diào)制器，其中至少一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器是一比特?cái)?shù)模轉(zhuǎn)換器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中第一加法器從模擬輸入信號中將對數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果減掉；第二加法器從第一放大信號中將放大的數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果減掉。
10.一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號，包括一個或多個Δ-∑調(diào)制器，每個Δ-∑調(diào)制器包括一個被第一偏置電流所偏置的第一積分器，一個或多個被一個或多個第二偏置電流所偏置的第二積分器，每個第二偏置電流都比第一偏置電流小；一個電流量化器，對一個或多個第二積分器之一所輸出的模擬積分信號進(jìn)行量化，產(chǎn)生一個數(shù)字輸出信號；以及一個低噪反饋環(huán)路，將數(shù)字輸出信號與模擬輸入信號，以及與第一積分器的輸出信號進(jìn)行相加。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括一個數(shù)字分樣濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第一偏置電流近似為一個或多個第二偏置電流的四倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括一個或多個放大器，以對具有第一比例系數(shù)的第一積分器以及一個或多個第二積分器的輸出信號進(jìn)行縮放。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中降噪反饋環(huán)路包括至少一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于對數(shù)字輸出信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及包括至少一個反饋放大器，以一個反饋比例系數(shù)對數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行縮放。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中反饋比例系數(shù)近似為第一比例系數(shù)的二倍。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第一積分器和一個或多個第二積分器具有一個近似為z-1/(1-z-1)的傳輸函數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第一積分器比一個或多個第二積分器大。
18.一種調(diào)制/轉(zhuǎn)換模擬輸入信號為數(shù)字輸出信號的方法，包括以下步驟將模擬輸入信號與數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行相加，產(chǎn)生一個第一相加信號；利用具有第一偏置電流的積分器對第一相加信號進(jìn)行積分；以一個第一比例系數(shù)對第一積分信號進(jìn)行放大；將第一放大信號與一個第二放大信號進(jìn)行相加，產(chǎn)生一個第二相加信號，其中第二放大信號是以一個第二比例系數(shù)對數(shù)字輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行放大的結(jié)果；利用一個積分器對第二相加信號進(jìn)行積分，此積分器具有比第一偏置電流小的第二偏置電流；以一個第二比例系數(shù)對第二積分信號進(jìn)行放大；以及放大的第二積分信號進(jìn)行量化，產(chǎn)生數(shù)字輸出信號。
全文摘要
一個噪聲限制開關(guān)電流△－∑調(diào)制器,例如用于超頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。調(diào)制器包括具有較大偏置電流的第一積分器和一個或多個具有較小偏置電流的第二積分器。根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制器降低了功耗和芯片面積。
文檔編號H03M3/02GK1223755SQ9719600
公開日1999年7月21日 申請日期1997年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月8日
發(fā)明者譚年熊 申請人:艾利森電話股份有限公司