專利名稱：用于多比特∑-△調(diào)制器的帶有電流模式dem開關(guān)矩陣和單獨(dú)dem判決邏輯的多電平量化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，并且更具體地說涉及∑-Δ(SD)調(diào)制器(SDM)，尤其是多比特SDM。
背景技術(shù)：
在ADC以及其它應(yīng)用設(shè)備中使用的SD調(diào)制器在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。例如，可以參考1997年紐約的IEEE出版社出版的S.R.Norsworthy等人的“∑-Δ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(Delta-Sigma Data Converters)”和1996年P(guān)rentice-Hall出版社出版的J.G.Proakis等人的“數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing)”第三版。SD調(diào)制器的典型實(shí)施例包括緊跟著量化器之后的環(huán)路濾波器以及在反饋路徑內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中廣泛地使用單比特SD調(diào)制器，因?yàn)樗鼈儾恍枰_的組件，并因此能夠使用現(xiàn)代的CMOS工藝輕易地實(shí)現(xiàn)。反饋環(huán)路內(nèi)的單比特DAC尤其容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗旧砭褪蔷€性的。然而，為了獲得高動(dòng)態(tài)范圍，單比特調(diào)制器需要高的過抽樣率(OSR)或者調(diào)制器階數(shù)(order)，這可能導(dǎo)致極大的集成電路面積和/或電流消耗。通過增加量化電平的數(shù)量，即通過使用多比特(MB)調(diào)制器，能夠降低OSR和/或調(diào)制器階數(shù)。然而，這種方法需要反饋環(huán)路內(nèi)的多比特DAC，由于多比特DAC本身不是線性的，因此，為了獲得高精確度(例如，大于10或11比特)，通常要求校準(zhǔn)或動(dòng)態(tài)單元匹配(dynamic element matching)(DEM)。
通常，使用校準(zhǔn)技術(shù)來使多比特DAC線性化，或者使用利用常規(guī)的數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)的DEM電路來降低多比特DAC的非線性所產(chǎn)生的影響。
在現(xiàn)代和不斷涌現(xiàn)的移動(dòng)通信協(xié)議和系統(tǒng)中，例如GSM/EDGE和WCDMA，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)置嚴(yán)格要求(動(dòng)態(tài)范圍和/或抽樣頻率)。此外，通常需要多模式操作，并且非常希望在各種模式中使用公用的硬件，尤其是從有效地使用集成電路面積的立場來看。
∑-Δ(sigma-delta)調(diào)制器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是具有配置∑-Δ調(diào)制器以使其滿足所需規(guī)范的多種方式。例如，根據(jù)應(yīng)用設(shè)備或操作模式，OSR、調(diào)制器階和量化電平數(shù)全都可以改變。
此外，為了在多模式操作期間完全利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常希望在所有的操作模式中使用公共的射頻電路和模擬基帶電路，還希望在數(shù)字域內(nèi)執(zhí)行所有的協(xié)議和系統(tǒng)特定的功能。這對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍和抽樣頻率提出了更高的要求。此外，如果能夠使模數(shù)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍和帶寬足夠大，則有可能省掉一些射頻和模擬基帶塊，例如濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃鞯龋瑥亩M(jìn)一步節(jié)省成本、電路面積和功耗。
如上面所指出的，為了實(shí)現(xiàn)很寬的動(dòng)態(tài)范圍，單比特調(diào)制器需要高的OSR和/或調(diào)制器階數(shù)，這可能導(dǎo)致極大的電路面積和/或電流消耗。通過增加量化電平數(shù)，即通過使用多比特SD調(diào)制器，能夠降低OSR和調(diào)制器階數(shù)。然而，使用多比特SD引入了其它的一些問題，例如由于組件失配所導(dǎo)致的反饋路徑SD調(diào)制器DAC的非線性。

發(fā)明內(nèi)容
使用根據(jù)教導(dǎo)的一些實(shí)施例的方法和設(shè)備來克服上述的和其它的問題。
在多比特∑-Δ調(diào)制器內(nèi)結(jié)合動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)電路提供了一個(gè)多電平量化器。DEM電路以集成電路面積和功率高效的方式來實(shí)現(xiàn)，并且也實(shí)現(xiàn)為放松對(duì)DEM電路操作的嚴(yán)格定時(shí)限制。定時(shí)限制的原因在于∑-Δ調(diào)制器是反饋系統(tǒng)以及DEM電路是反饋環(huán)路的一個(gè)組成部件的事實(shí)。
根據(jù)這些教導(dǎo)，將DEM電路劃分成兩個(gè)主要的組成部件至少一個(gè)DEM開關(guān)矩陣(SM)，優(yōu)選地電流模式(current mode)DEM開關(guān)矩陣；和相關(guān)的DEM判決邏輯塊，它實(shí)現(xiàn)DEM控制算法和控制DEM SM。將DEM判決邏輯塊從對(duì)延遲敏感的∑-Δ反饋環(huán)路中去除，同時(shí)在反饋環(huán)路內(nèi)保留DEM SM。通過這種方式，DEM判決邏輯塊有更多的時(shí)間來實(shí)施DEM算法，這進(jìn)而又在DEM算法的設(shè)計(jì)中提供了更高的自由度和靈活性。例如，一個(gè)有益的結(jié)果是可以使用更復(fù)雜的DEM算法，而否則的話，這是不可能的。
同時(shí)描述了一種在多比特量化器內(nèi)使用電流導(dǎo)引(steering)邏輯來實(shí)現(xiàn)DEM SM的方便和有效的技術(shù)。在這種情況下，可以在量化器內(nèi)提供一個(gè)或多個(gè)DEM開關(guān)矩陣，以便重新排序N電平量化器的N-1個(gè)數(shù)字輸出比特。
多比特DAC的非線性所產(chǎn)生的不利影響(即寄生音調(diào)和諧音的產(chǎn)生)可以通過根據(jù)一種合適的算法使用DEM SM重新排序這些比特來降低，從而將這些音調(diào)轉(zhuǎn)換成頻率形狀的噪聲。
通過將實(shí)現(xiàn)DEM算法的DEM判決邏輯塊放在對(duì)延遲敏感的SDM反饋環(huán)路的外部來克服限制DEM算法選擇的定時(shí)限制。通過這種方式，吞吐量可能依然是每個(gè)時(shí)鐘相位一個(gè)控制字，但是在DEM算法的選擇中提供了更多的自由度，即可以選擇相對(duì)簡單的DEM算法(例如隨機(jī)的、周期的、數(shù)據(jù)加權(quán)平均(DWA)算法等等)或者更復(fù)雜的DEM算法(例如基于排序的算法)。在操作期間可以可編程地改變DEM算法，從而匹配操作和信號(hào)狀態(tài)以及多模式通信設(shè)備內(nèi)的操作模式。
與使用單獨(dú)的量化器和SM相比，改善了所需要的DEM SM的電路面積、功耗和速度，因?yàn)閺?fù)合的量化器/SM結(jié)構(gòu)簡單并且易于實(shí)現(xiàn)，并具有降低面積、功耗和反饋環(huán)路內(nèi)的延遲的潛力。用在DEM SM中的優(yōu)選電流導(dǎo)引邏輯是密集的、簡單的和快速的，并且如果使用最小的晶體管來實(shí)現(xiàn)的話，則附加的電容性負(fù)載以及因而提高的電流消耗都不明顯。
本發(fā)明還公開了一種操作∑-Δ調(diào)制器的量化器的方法。該方法包括將量化器輸入信號(hào)抽樣并轉(zhuǎn)換成抽樣電流信號(hào)；向抽樣電流信號(hào)添加高頻脈動(dòng)(dither)電流信號(hào)，以生成高頻脈動(dòng)抽樣電流信號(hào)；將高頻脈動(dòng)抽樣電流信號(hào)耦合到N-1個(gè)比較器級(jí)中相應(yīng)比較器級(jí)的輸入端；在所述N-1個(gè)比較器級(jí)之間平均地劃分所述高頻脈動(dòng)抽樣電流信號(hào)；操作N-1個(gè)比較器級(jí)中的相應(yīng)比較器級(jí)來比較高頻脈動(dòng)抽樣電流信號(hào)中一個(gè)分出的部分與N-1個(gè)參考電流信號(hào)中相關(guān)的一個(gè)信號(hào)；和使用N-1個(gè)鎖存器之一鎖存N-1個(gè)比較器級(jí)中每個(gè)比較器級(jí)的輸出。該方法還操作至少一個(gè)動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)開關(guān)矩陣，以便在DEM算法邏輯塊的控制下重新排序在量化器電路的N-1個(gè)數(shù)字輸出端上出現(xiàn)的多比特?cái)?shù)字信號(hào)。
在一種實(shí)施例中，操作至少一個(gè)DEM開關(guān)矩陣的步驟包括在N-1個(gè)比較器的輸入上重新排序N-1個(gè)參考電流信號(hào)，而在另一種實(shí)施例中，操作至少一個(gè)DEM開關(guān)矩陣的步驟包括在鎖存N-1個(gè)比較器輸出信號(hào)之前重新排序N-1個(gè)比較器輸出信號(hào)。量化器可以同時(shí)使用這兩種實(shí)施例。
添加高頻脈動(dòng)電流信號(hào)的步驟包括以下步驟生成高頻脈動(dòng)信號(hào)以便具有幅度的偽隨機(jī)波動(dòng)，并且大小與輸入信號(hào)的大小逆變化。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀隨后的優(yōu)選實(shí)施例詳述之后，本發(fā)明的上述和其它的特征將更加明顯，在附圖中圖1圖示了多比特∑-Δ調(diào)制器的總體結(jié)構(gòu)，其中將DEM電路圖示為反饋路徑中的多比特DAC的一部分；圖2圖示了多比特∑-Δ調(diào)制器，其中DEM電路與多比特DAC是分離的；圖3圖示了帶有正常抽樣的DEM電路的定時(shí)；圖4圖示了帶有二次抽樣的DEM電路的定時(shí)，其中使用與正常抽樣情況相同的定時(shí)限制；圖5圖示了根據(jù)這些教導(dǎo)的一個(gè)方面的多比特∑-Δ調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，其中DEM判決邏輯和DEM SM是分離的；圖6圖示了具有包括在量化器內(nèi)的DEM SM的多比特∑-Δ調(diào)制器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)；圖7圖示了具有包括在量化器內(nèi)的DEM SM的多比特∑-Δ調(diào)制器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)；圖8圖示了包含兩個(gè)DEM開關(guān)矩陣的多比特量化器的總體結(jié)構(gòu)；圖9圖示了帶有兩個(gè)DEM開關(guān)矩陣的多比特量化器的在示意方框圖層次上的實(shí)施方式；和圖10更詳細(xì)地圖示了圖9的兩個(gè)DEM開關(guān)矩陣實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
通過介紹的方式，在圖1中圖示了多比特∑-Δ調(diào)制器10的總體結(jié)構(gòu)。多比特開關(guān)電容器(SC)∑-Δ調(diào)制器10的核心包括環(huán)路濾波器12、量化器14、編碼器16和反饋路徑17，其中，所述反饋路徑包括多比特DAC 18和相關(guān)的DEM電路20。環(huán)路濾波器12處理模擬輸入信號(hào)以及來自DAC 18的反饋信號(hào)，并且利用多比特量化器14量化環(huán)路濾波器12的輸出信號(hào)。對(duì)量化器14的輸出進(jìn)行編碼(例如，從tempature溫度編碼到二進(jìn)制補(bǔ)碼)，并且這個(gè)多比特(k比特)編碼的字是SD調(diào)制器10的輸出。量化器14的輸出也饋送給DEM電路20，其輸出控制反饋路徑中的多比特DAC 18。通過使用DEM開關(guān)矩陣(SM)根據(jù)合適的算法來打亂或重新排列DAC 18的輸入比特，降低由于元件失配產(chǎn)生的多比特DAC 18的非線性造成的影響，具體而言即寄生音調(diào)和諧音。通過這種方式，將不希望有的音調(diào)轉(zhuǎn)換成頻率整形的噪聲。
此外，能夠使用高頻脈動(dòng)生成器22生成一個(gè)高頻脈動(dòng)信號(hào)，可以將該高頻脈動(dòng)信號(hào)添加到量化器14的輸入，以使量化器14維持在低電平輸入的工作狀態(tài)上。使用高頻脈動(dòng)信號(hào)理想地避免了在SDM 10內(nèi)生成不希望存在的音調(diào)(外來信號(hào))。高頻脈動(dòng)生成器22能夠包括向偽隨機(jī)高頻脈動(dòng)信號(hào)生成器提供輸入的幅度測量塊。
圖2圖示多比特∑-Δ調(diào)制器10的一種實(shí)施例，其中DEM電路20與多比特DAC 18是分離的，而圖3示出了DEM電路20在正常抽樣期間的定時(shí)。在這種情況下，一個(gè)時(shí)鐘周期包括應(yīng)用于環(huán)路濾波器12的第一(濾波)相位(相位A)和應(yīng)用于DAC 18的第二(數(shù)模轉(zhuǎn)換)相位B。將相位A的一個(gè)子相位(sub-phase)(量化)應(yīng)用于量化器14，并控制已濾波信號(hào)的量化。注意在量化和下一次數(shù)模轉(zhuǎn)換之間的短暫時(shí)間周期內(nèi)需要執(zhí)行DEM判決和切換。尤其是，使用很高的抽樣速率，這個(gè)短暫的時(shí)間周期限制了DEM塊20所執(zhí)行的DEM算法的復(fù)雜度。
圖4圖示使用二次抽樣的DEM電路的定時(shí)。應(yīng)用與正常抽樣情況相同的時(shí)間限制。注意到在這個(gè)例子中，將兩個(gè)時(shí)鐘相位A和B都應(yīng)用于環(huán)路濾波器12，并將相反的相位B和A應(yīng)用于DAC 18。在量化子相位期間，仍舊需要DEM電路20處理量化器14輸出的比特，并相應(yīng)地設(shè)置DEM開關(guān)。
圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的多比特∑-Δ調(diào)制器10的結(jié)構(gòu)，其中，DEM判決邏輯塊(DEM算法20A)與DEM SM 20B分離。DEM判決邏輯塊20A在一個(gè)相位內(nèi)讀取量化器14的輸出，并為下一相位生成DEM SM控制信號(hào)，因此，具有額外的時(shí)間來分析量化器14的輸出比特和進(jìn)行DEM SM切換控制信號(hào)判決。注意，DEM切換操作依然在量化子相位期間發(fā)生，依然需要每個(gè)相位一個(gè)切換控制操作的吞吐量。在設(shè)計(jì)DEM算法時(shí)考慮一個(gè)相位的額外時(shí)延，以確保穩(wěn)定性和/或正確的操作。
圖6圖示了多比特∑-Δ調(diào)制器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中，DEM SM 20B位于量化器14內(nèi)。在這種情況下，模擬DEM SM 20B位于量化器輸入級(jí)14A和量化器輸出級(jí)14B之間，所述量化器輸入級(jí)14A例如是多個(gè)電流比較器，所述量化器輸出級(jí)14B通常是多個(gè)相應(yīng)的鎖存器。在這個(gè)實(shí)施例中，在“模擬”域內(nèi)執(zhí)行DEM切換以降低時(shí)間和電路面積。注意在定時(shí)圖內(nèi)，在量化子相位開始之前執(zhí)行DEM切換操作，可以在量化子相位期間發(fā)起DEM算法塊20A所執(zhí)行的DEM判決操作。
圖7圖示了多比特∑-Δ調(diào)制器第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中，DEM SM位于量化器14內(nèi)。在這個(gè)實(shí)施例中，模擬DEM SM 20B位于多比特量化器14的輸入級(jí)14A之前。注意，在模擬域內(nèi)完成DEM切換以降低時(shí)間和電路面積，還要注意，此定時(shí)圖說明圖7中第二實(shí)施例的操作與圖6中第一實(shí)施例的操作可以是相同的。
圖8圖示了一個(gè)多比特SDM 10的總體結(jié)構(gòu)，它除了高頻脈動(dòng)生成器22和閾值生成器23所提供的多比特閾值之外還包括量化器14，該量化器14包括兩個(gè)DEM開關(guān)矩陣20B1和20B2，對(duì)應(yīng)于圖6和圖7的實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，就定時(shí)和電容性負(fù)載的觀點(diǎn)而言，將這個(gè)復(fù)雜的DEM算法劃分成兩個(gè)部分是有利的，即一個(gè)公用DEM算法塊20A和兩個(gè)開關(guān)矩陣(SM)20B1和20B2。一個(gè)DEMSM 20B2位于閾值生成器23和多比特量化器14的輸入級(jí)14A之間。這有重新排列量化器輸入級(jí)的效果，在這種情況下，所述量化器的輸入級(jí)包括信號(hào)抽樣器、放大器、高頻脈動(dòng)電流添加塊15A和多個(gè)減法塊15B。另一個(gè)DEM SM 20B1位于輸入級(jí)14A和鎖存器級(jí)14B之間，它的作用是重新排列量化器輸出信號(hào)。SM20B1和20B2可以具有相同的結(jié)構(gòu)和布局，或者它們可以具有用于更有效地實(shí)現(xiàn)不同類型的比特重新排列方案的不同結(jié)構(gòu)和布局。此外，SM 20B1和20B2可以具有不同的工作頻率。例如，一個(gè)SM可以在每個(gè)時(shí)鐘相位期間工作，而另一個(gè)SM根據(jù)DEM算法塊20A的具體操作僅偶爾地工作。
圖9是多比特量化器14的更加詳細(xì)的方框圖，其中包括兩個(gè)DEM開關(guān)矩陣20B1和20B2，如圖8所示。量化器14的操作如下。將通常是環(huán)路濾波器12的最后一個(gè)積分器12A的輸出的量化器14的輸入信號(hào)施加給抽樣級(jí)19A，在此使用開關(guān)(SW)將輸入信號(hào)抽樣到一個(gè)小電容器(C)上。這種技術(shù)避免了將來自量化器14的反沖噪聲注入到環(huán)路濾波器12內(nèi)。鎖存器14B2的輸出通過反饋路徑17饋送給環(huán)路濾波器12的時(shí)鐘邏輯和緩沖器17A。在時(shí)鐘邏輯17A的控制下，在SC積分器12A內(nèi)執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。差分對(duì)放大器19B將抽樣輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流(i)，并將這個(gè)電流施加給求和結(jié)點(diǎn)(junction)21，其中將它與來自高頻脈動(dòng)生成器22的高頻脈動(dòng)電流組合起來。
此外，在這方面，還將SDM 10的輸入信號(hào)施加給高頻脈動(dòng)信號(hào)生成器塊22，它包括將幅度控制信號(hào)輸出給偽隨機(jī)高頻脈動(dòng)信號(hào)生成塊26的幅度測量塊24。偽隨機(jī)高頻脈動(dòng)信號(hào)生成塊26的輸出是高頻脈動(dòng)信號(hào)，優(yōu)選地是高頻脈動(dòng)電流(Idither)，它被作為第二輸入施加給量化器14。作用是在量化器14的輸入上添加偽隨機(jī)噪聲，即高頻脈動(dòng)信號(hào)。以這種來控制為隨機(jī)噪聲(Idither)的幅度以便與輸入信號(hào)的幅度成反比。即，當(dāng)輸入信號(hào)幅度最大時(shí)，高頻脈動(dòng)信號(hào)的幅度最小，反之亦然。使用高頻脈動(dòng)信號(hào)是優(yōu)選的，因?yàn)楫?dāng)輸入信號(hào)幅度很小時(shí)，它減少了SDM 10的輸出信號(hào)中不希望有的音調(diào)的生成，因而提高了SDM 10的動(dòng)態(tài)范圍。作為一個(gè)非限制性的例子，偽隨機(jī)高頻脈動(dòng)信號(hào)生成塊26可以包含至少一個(gè)根據(jù)幅度測量塊24的輸出執(zhí)行操作的線性反饋移位寄存器(LFSR)，用于控制構(gòu)成一個(gè)電流導(dǎo)引DAC的多個(gè)晶體管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而控制高頻脈動(dòng)電流信號(hào)的幅度(和極性)。
將求和節(jié)點(diǎn)21的總電流饋送給量化器14的N-1個(gè)(在N電平量化中)共柵輸入晶體管(柵地陰地放大器電流緩沖器31)的源極。共柵晶體管將輸入級(jí)與輸出級(jí)14B的動(dòng)態(tài)鎖存器14B1隔離，因此也降低了到環(huán)路濾波器12的反沖噪聲。
在一個(gè)實(shí)施例中，閾值生成器23包括一個(gè)電阻串23A(由電阻或晶體管組成)，用于在正負(fù)參考電壓之間建立均勻分布的參考電壓。使用差分對(duì)放大器23B來分接合適的閾值電壓，并將這些電壓轉(zhuǎn)換成參考電流。在另外一個(gè)實(shí)施例中，可以使用一個(gè)饋送多個(gè)加權(quán)電流鏡像以便直接生成所希望的參考電流信號(hào)的跨導(dǎo)體來替換電路23A和23B。
根據(jù)DEM判決邏輯20A所生成的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)為模擬電流導(dǎo)引邏輯的第二DEM SM 20B2將參考電流引導(dǎo)到第二柵地-陰地放大器(cascode)電流緩沖器25的共柵輸入晶體管的源極。這些共柵晶體管用于隔離電阻串23A與量化器14的第二級(jí)14B的動(dòng)態(tài)鎖存器14B1，從而降低引入到閾值生成器23內(nèi)的反沖噪聲。
來自檢測環(huán)路濾波器12輸出的輸入級(jí)的電流與來自檢測電阻串23A所生成閾值的輸入級(jí)的電流在求和節(jié)點(diǎn)27上求和，然后饋送給第一DEM SM 20B1。
優(yōu)選地，DEM SM 20B1也被實(shí)現(xiàn)為模擬電流導(dǎo)引邏輯，它根據(jù)DEM判決邏輯20A所生成的控制信號(hào)將總電流引導(dǎo)到輸出級(jí)14B的鎖存負(fù)載之一。所述鎖存負(fù)載包括再生性鎖存負(fù)載(動(dòng)態(tài)鎖存器14B1和靜態(tài)鎖存器14B2)。將鎖存器14B2的輸出通過反饋路徑17饋送給環(huán)路濾波器12的時(shí)鐘邏輯和緩沖器17A。在時(shí)鐘邏輯17A的控制下，在SC積分器12A內(nèi)執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
將鎖存器14B2的輸出也饋送給DEM判決邏輯塊20A，它根據(jù)選定的DEM算法生成用于DEM開關(guān)矩陣20B1和20B2的控制信號(hào)。合適的DEM算法包括但不局限于隨機(jī)數(shù)據(jù)平均(RDA)和各種循環(huán)算法，其中包括數(shù)據(jù)加權(quán)平均(DWA)和基于旋轉(zhuǎn)的DEM算法，例如定時(shí)平均(CLA)。也可以使用更復(fù)雜的DEM算法，例如基于排序的DEM算法。在諸如基于旋轉(zhuǎn)的CLA和DWA之類的循環(huán)DEM算法中，DAC單元元件的失配誤差被轉(zhuǎn)換成寬帶噪聲。在操作過程中可以改變選定的DEM算法以適應(yīng)信號(hào)狀態(tài)的改變以及在多模式的設(shè)備中的操作模式的改變。
RDA的相關(guān)內(nèi)容可以參考出版物1989年4月第2期第24卷IEEE固態(tài)電路期刊(IEEE Journal of Solid-State Circuits)中L.Richard Carley的“用于15比特轉(zhuǎn)換器的噪聲整形編碼器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A Noise-Shaping Coder Topology for 15+BitConventers)”。DWA的相關(guān)內(nèi)容可以參考出版物IEEE電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)-II模擬與數(shù)字信號(hào)處理(IEEE Transactions on Circuits and Systems-IIAnalog andDigital Signal Processing)1995年12月第12期第42卷中Rex T. Baird和Terry S.Fiez的“使用數(shù)據(jù)加權(quán)平均的多比特Δ∑ A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的線性增強(qiáng)(LinearityEnhancement of MultibitΔ∑ A/D and D/A Converters Using Data WeightedAveraging)”，而CLA的相關(guān)內(nèi)容可以參考1990年伯克利加利福尼亞大學(xué)ERL的Y.Sakina的理學(xué)碩士論文，“使用動(dòng)態(tài)桶式移位的帶有非線性校正的多比特∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Multibit ∑-Δ Analog to Digital Converters with NonlinearityCorrection Using Dynamic Barrel Shifting)”。
靜態(tài)鎖存器14B的輸出還被饋送給編碼器16，所述編碼器16輸出例如是量化結(jié)果的二進(jìn)制補(bǔ)碼的數(shù)字表示。也可以使用其它的多比特?cái)?shù)字輸出格式。
圖10是圖9的量化器14的更詳細(xì)的方框圖。圖10圖示了量化器/SM結(jié)構(gòu)的組合特性，可以看出與使用分離的量化器和SM相比，它比較簡單并便于實(shí)現(xiàn)，并具有減小面積、功耗和反饋環(huán)路17內(nèi)延遲的潛能。可以看出，所圖示的SM20B1的結(jié)構(gòu)使用密集、緊湊和快速的電流導(dǎo)引邏輯，并且如果使用最小的晶體管來實(shí)現(xiàn)，則附加的電容性負(fù)載以及因而產(chǎn)生的電流消耗的增加很小。SM 20B1的功能是選擇性地將電流比較器的輸出擇路發(fā)送給DEM算法塊20A所選定的動(dòng)態(tài)鎖存器14B1之一的輸入，從而重新排序輸出比特。SM 20B2可以以類似的方式來構(gòu)建，并在電流比較器的輸入上執(zhí)行另外一次重新排序。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過柵地陰地電流緩沖器31將求和節(jié)點(diǎn)21上的組合信號(hào)和高頻脈動(dòng)電流在N-1個(gè)電流比較器之間平均地分割或劃分。
前置放大器級(jí)19B包括將抽樣輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的差分晶體管對(duì)。N-1個(gè)比較器中的每個(gè)比較器都包括輸入級(jí)31，此輸入級(jí)在結(jié)構(gòu)上包括共柵級(jí)配置的晶體管，所述共柵級(jí)配置的晶體管用于抑制噪聲從N-1個(gè)鎖存器到環(huán)路濾波器12輸出的反饋。因?yàn)檩斎爰?jí)31的共柵晶體管大小可以相同，并且因?yàn)樗鼈冇邢嗤脑礃O和柵極電壓，因此流經(jīng)這些晶體管的電流是相同的。因此，電流平均地分配在N-1個(gè)比較器級(jí)之間。每個(gè)比較器都包括前置放大器級(jí)23B，它用于將相關(guān)參考信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)閾值(參考)電流的另外一個(gè)差動(dòng)輸入晶體管對(duì)來構(gòu)建，并且還包括第二共柵級(jí)配置的晶體管29，它操作用來抑制噪聲從N-1個(gè)鎖存器到參考信號(hào)生成器23的反饋。所述參考電流通過第二共柵級(jí)配置的晶體管29來耦合，并在比較器的輸出節(jié)點(diǎn)上與通過信號(hào)輸入級(jí)31的柵地陰地電流緩沖器耦合的輸入/高頻脈動(dòng)電流信號(hào)的分出部分相加。
可以擴(kuò)展所公開的量化器14從而支持包含積分器串12A的∑-Δ調(diào)制器結(jié)構(gòu)，所述積分器帶有加權(quán)前向求和，其中首先在求和塊內(nèi)相加所有積分器12A的輸出，然后將所述求和塊的輸出饋送給量化器14。通過為每個(gè)積分器提供一個(gè)線性化的前置放大器并將前置放大器的輸出連接在一起，可以用電流模式來實(shí)現(xiàn)積分器輸出求和操作。來自塊22的電流模式高頻脈動(dòng)信號(hào)可以連接到同一求和節(jié)點(diǎn)。∑-Δ環(huán)路濾波器12的每個(gè)開關(guān)電容器積分器12A的輸出被抽樣到簡單的抽樣電容器上。例如，在三階調(diào)制器中，存在三個(gè)積分器12A，所以抽樣三個(gè)不同的電壓。優(yōu)選地，該抽樣被用來避免反沖噪聲從量化器14傳播到環(huán)路濾波器12中。將每個(gè)抽樣電壓轉(zhuǎn)換成電流抽樣，通過在量化器14的輸入上連接求和節(jié)點(diǎn)上的輸出，電流抽樣被以電流模式來求和?？梢詫⒏哳l脈動(dòng)高頻脈動(dòng)塊22的輸出電流添加在同一求和節(jié)點(diǎn)上。然后，將抽樣的求和電流饋送給量化器比較器的共柵輸入晶體管31的源極。共柵結(jié)構(gòu)具有很低的輸入阻抗，它使電流的求和更加精確，共柵晶體管使輸入級(jí)與輸出級(jí)14B的動(dòng)態(tài)鎖存器14B1隔離，因此降低了反沖噪聲到環(huán)路濾波器12的傳播。
線性化的差分對(duì)23B分接(tap)合適的閾值電壓，并將這些電壓轉(zhuǎn)換成電流。通過正確地使用匹配技術(shù)能夠精確地控制轉(zhuǎn)換系數(shù)的比例(跨導(dǎo))。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在DEM算法塊20A的控制下，通過DEM開關(guān)矩陣20B2將參考電流饋送給N-1個(gè)比較器的共柵輸入晶體管29的源極。塊29的共柵晶體管使閾值生成器23的電阻串23B與動(dòng)態(tài)鎖存器14B1相互隔離，從而減少反沖噪聲到閾值生成器23的傳播。來自檢測環(huán)路濾波器12的積分器12A的輸出的輸入級(jí)31的電流以及來自檢測參考電流閾值的輸入級(jí)29的電流在節(jié)點(diǎn)27上求和，并通過DEM開關(guān)矩陣20B1饋送給鎖存再生性負(fù)載14B1之一。在圖10中還圖示了鎖存再生性負(fù)載14B1的定時(shí)圖(信號(hào)comp_clk和它的延遲反轉(zhuǎn)信號(hào))。
可以理解的是，所圖示的實(shí)施例放松了對(duì)DEM塊20A的定時(shí)限制，因?yàn)樗辉倥c返回DAC 18的反饋信號(hào)路徑相串聯(lián)。相反地，DEM算法塊20A與與到環(huán)路濾波器DAC 18的反饋路徑的至少一部分并聯(lián)耦合。此外，通過集成DEM單元20與多電平量化器14的功能，也可以實(shí)現(xiàn)其它的優(yōu)點(diǎn)，例如潛在地能夠降低所需要的電路面積、功耗和成本。通過將DEM開關(guān)矩陣20B或矩陣20B1和20B2實(shí)現(xiàn)為電流導(dǎo)引晶體管，便于集成DEM功能與量化器14，從而實(shí)現(xiàn)先前討論的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)考慮圖8、圖9和圖10所示的實(shí)施例時(shí)，能夠消除任一個(gè)DEM開關(guān)矩陣20B1或20B2，而僅使用一個(gè)開關(guān)矩陣來執(zhí)行DEM重新排序功能。也就是說，這些教導(dǎo)并不局限于使用量化器14內(nèi)的兩個(gè)DEM開關(guān)矩陣，因?yàn)橐部梢允褂靡粋€(gè)SM。
此外，也可以將DEM開關(guān)矩陣設(shè)置在其它位置上，例如在再生性鎖存器14B1的輸出和靜態(tài)鎖存器14B2的輸入之間，并且然后使用電壓模式邏輯。
因此，雖然已經(jīng)具體地圖示和參考其優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.一種∑-Δ調(diào)制器，包括環(huán)路濾波器，具有用于接收模擬信號(hào)的輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)；多電平量化器，具有耦合到所述環(huán)路濾波器的所述輸出節(jié)點(diǎn)用于從中接收輸入信號(hào)的輸入節(jié)點(diǎn)和輸出指示所述輸入信號(hào)的大小的多比特?cái)?shù)字信號(hào)的多個(gè)數(shù)字輸出節(jié)點(diǎn)；和從所述量化器的所述多個(gè)數(shù)字輸出節(jié)點(diǎn)到所述環(huán)路濾波器的反饋路徑，所述反饋路徑包括與所述反饋路徑串聯(lián)的用于重新排序所述多比特?cái)?shù)字信號(hào)的至少一個(gè)動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)開關(guān)矩陣；和具有耦合到所述DEM開關(guān)矩陣的輸出用于控制其操作的DEM算法邏輯塊，所述DEM算法邏輯塊具有耦合到所述量化器的所述多個(gè)數(shù)字輸出節(jié)點(diǎn)的輸入，并與所述反饋路徑的至少一部分并聯(lián)耦合。
2.如權(quán)利要求1的∑-Δ調(diào)制器，其中，所述∑-Δ調(diào)制器以正常抽樣模式或二次抽樣模式之一操作。
3.如權(quán)利要求1的∑-Δ調(diào)制器，還包括高頻脈動(dòng)信號(hào)生成器，所述高頻脈動(dòng)信號(hào)生成器具有耦合到所述量化器的第二輸入節(jié)點(diǎn)的輸出，用于將高頻脈動(dòng)信號(hào)引入到所述輸入信號(hào)內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1的∑-Δ調(diào)制器，其中，所述至少一個(gè)DEM開關(guān)矩陣是位于所述量化器的所述輸入節(jié)點(diǎn)和所述多個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)之間的電流模式DEM開關(guān)矩陣。
5.一種N電平量化器電路，所述量化器電路具有模擬輸入端和N-1個(gè)數(shù)字輸出端，包括抽樣電路，耦合到所述輸入端，用于提供抽樣的輸入電壓信號(hào)；至少一個(gè)前置放大器/轉(zhuǎn)換器級(jí)，用于將所述抽樣的輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成抽樣的輸入電流信號(hào)；N-1個(gè)比較器級(jí)，每個(gè)比較器級(jí)具有耦合到所述至少一個(gè)前置放大器/轉(zhuǎn)換器級(jí)的輸出的輸入，所述的N-1個(gè)比較器級(jí)之中的各個(gè)比較器級(jí)用于平均共享所述抽樣的輸入電流信號(hào)，并比較所述電流信號(hào)與N-1個(gè)參考電流信號(hào)之中相關(guān)的一個(gè)參考電流信號(hào)；N-1個(gè)鎖存器，各個(gè)鎖存器鎖存所述N-1個(gè)比較器之一的輸出狀態(tài)，并且具有耦合到所述量化器電路的所述N-1個(gè)數(shù)字輸出端之一的輸出；至少一個(gè)電流模式動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)開關(guān)矩陣，用來重新排序在所述量化器電路的所述N-1個(gè)數(shù)字輸出端上出現(xiàn)的多比特?cái)?shù)字信號(hào)；和DEM算法邏輯塊，具有耦合到所述至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣用于控制其操作的輸出。
6.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，其中，所述至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣耦合在所述N-1個(gè)比較器的輸出和所述N-1個(gè)鎖存器的輸入之間。
7.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，還包括輸出所述N-1個(gè)參考電流信號(hào)的閾值信號(hào)生成器，其中，所述至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣耦合在所述閾值信號(hào)生成器的輸出和所述N-1個(gè)比較器之間，用于重新排序所述N-1個(gè)閾值信號(hào)。
8.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，其中，使用多個(gè)共柵級(jí)配置的晶體管來構(gòu)建所述N-1個(gè)比較器之中的各個(gè)比較器，用于抑制噪聲從所述N-1個(gè)鎖存器到其它的所述比較器和到所述量化器電路的所述輸入端的反饋。
9.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，還包括高頻脈動(dòng)信號(hào)生成器，所述高頻脈動(dòng)信號(hào)生成器具有輸出耦合到所述至少一個(gè)前置放大器/轉(zhuǎn)換器級(jí)的所述輸出。
10.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，其中，所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)包括第一差動(dòng)晶體管對(duì)，它將所述抽樣的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述抽樣的輸入電流信號(hào)，其中，所述N-1個(gè)比較器中的各個(gè)比較器包括輸入級(jí)，所述輸入級(jí)包括第一共柵級(jí)配置的晶體管，操作用來抑制噪聲從所述N-1個(gè)鎖存器到所述量化器電路的所述輸入端的反饋，并且所述N-1個(gè)比較器中的各個(gè)比較器還包括閾值輸入級(jí)，所述閾值輸入級(jí)包括第二差動(dòng)輸入晶體管對(duì)，用于將相關(guān)的參考信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成參考電流，并且還包括第二共柵級(jí)配置的晶體管，操作用來抑制噪聲從所述N-1個(gè)鎖存器到所述參考信號(hào)生成器的反饋，其中所述參考電流經(jīng)由所述第二共柵級(jí)配置的晶體管進(jìn)行耦合，并在所述比較器的輸出節(jié)點(diǎn)上與所述抽樣輸入電流信號(hào)相加。
11.如權(quán)利要求10的N電平量化器電路，其中，所述至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣耦合在所述N-1個(gè)比較器的每個(gè)比較器的所述輸出節(jié)點(diǎn)與所述N-1個(gè)鎖存器的輸入之間。
12.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，其中，所述量化器電路構(gòu)成多比特∑-Δ調(diào)制器的一部分，并且其中所述量化器的所述輸入端耦合到構(gòu)成環(huán)路濾波器一部分的至少一個(gè)積分器的輸出上。
13.如權(quán)利要求5的N電平量化器電路，還包括偽隨機(jī)高頻脈動(dòng)電流信號(hào)生成器，它具有耦合到所述至少一個(gè)前置放大器/轉(zhuǎn)換器級(jí)的所述輸出的高頻脈動(dòng)電流輸出信號(hào)，其中先將所述高頻脈動(dòng)電流輸出信號(hào)與所述抽樣電流信號(hào)相加，然后再共享并與所述N-1個(gè)參考電流信號(hào)之中的所述相關(guān)的一個(gè)參考電流信號(hào)進(jìn)行比較。
14.一種用于操作∑-Δ調(diào)制器的量化器的方法，包括以下步驟抽樣積分輸入信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成抽樣電流信號(hào)；將高頻脈動(dòng)電流信號(hào)添加到所述抽樣電流信號(hào)上，以生成高頻脈動(dòng)抽樣的電流信號(hào)；將所述高頻脈動(dòng)抽樣的電流信號(hào)耦合到N-1個(gè)比較器級(jí)中相應(yīng)比較器級(jí)的輸入端；在所述N-1個(gè)比較器級(jí)之間均分所述高頻脈動(dòng)抽樣的電流信號(hào)；操作所述N-1個(gè)比較器級(jí)中的相應(yīng)比較器級(jí)，以比較所述高頻脈動(dòng)抽樣的電流信號(hào)中分出的部分與所述N-1個(gè)參考電流信號(hào)中相關(guān)的一個(gè)參考電流信號(hào)；和使用N-1個(gè)鎖存器之一來鎖存所述N-1個(gè)比較器級(jí)中每個(gè)比較器級(jí)的輸出；其中操作所述N-1個(gè)比較器級(jí)中的相應(yīng)比較器級(jí)包括在DEM算法邏輯塊的控制下，操作至少一個(gè)電流模式動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)開關(guān)矩陣，以重新排序在量化器電路的N-1個(gè)數(shù)字輸出端上出現(xiàn)的多比特?cái)?shù)字信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中，操作至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣的步驟包括在N-1個(gè)比較器的輸入上重新排序N-1個(gè)參考電流信號(hào)。
16.如權(quán)利要求14的方法，其中，操作至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣的步驟包括在鎖存所述N-1個(gè)比較器輸出信號(hào)之前重新排序N-1個(gè)比較器輸出信號(hào)。
17.如權(quán)利要求14的方法，其中，添加所述高頻脈動(dòng)電流信號(hào)的步驟包括以下步驟生成高頻脈動(dòng)電流信號(hào)，以便在幅度中具有偽隨機(jī)波動(dòng)，并且大小隨著輸入信號(hào)的大小逆向變化。
全文摘要
在多比特∑－Δ調(diào)制器內(nèi)結(jié)合動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)電路提供多電平量化器。該DEM電路通過被劃分成兩個(gè)主要的組成部分的方式來實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)電流模式DEM開關(guān)矩陣(SM)；和實(shí)現(xiàn)DEM控制算法并控制SM的相關(guān)的DEM判決邏輯塊。從延遲敏感的∑－Δ反饋環(huán)路中去除DEM判決邏輯塊，同時(shí)在反饋環(huán)路中保留DEM SM。還描述了一種使用多比特量化器內(nèi)的電流導(dǎo)引邏輯來實(shí)現(xiàn)DEM SM的方便和高效的技術(shù)。在這種情況下，可以在量化器內(nèi)提供另一個(gè)DEM開關(guān)矩陣，用于重新排序N電平量化器的N－1個(gè)數(shù)字輸出比特。
文檔編號(hào)H03M3/04GK1520639SQ02812811
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2002年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者A·魯哈, T·羅特薩萊寧, J·-P·特爾瓦羅托, A 魯哈, ぬ囟 唄尥, 厝 襯 申請(qǐng)人:諾基亞有限公司