具有自我校正的三角積分調變器及其校正方法
【專利摘要】一種具有自我校正的三角積分調變器及其校正方法，其中三角積分調變器包括一多工器、一加總電路、一回路濾波器、一量化器、一數(shù)字模擬轉換器以及一校正邏輯電路。多工器用以接收模擬輸入信號與共模信號，并依照選擇信號輸出多工信號。加總電路用以接收多工信號與模擬回授信號，并輸出誤差信號?；芈窞V波器用以接收誤差信號，并輸出濾波后信號。量化器用以接收濾波后信號，并輸出原始數(shù)字輸出信號。數(shù)字模擬轉換器用以接收原始數(shù)字輸出信號，并依照相位指示信號與旋轉數(shù)信號輸出模擬回授信號與旋轉后數(shù)字輸出信號。校正邏輯電路用以接收旋轉后數(shù)字輸出信號與模式指示信號，并輸出選擇信號、相位指示信號、旋轉數(shù)信號與校正后數(shù)字輸出信號。
【專利說明】具有自我校正的三角積分調變器及其校正方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明關于一種三角積分調變器（delta-sigma modulator ;DSM)，特別關于具有 自我校正的三角積分調變器及其校正方法。

【背景技術】
[0002] 參照圖1，三角積分調變器（delta-sigma modulator ;DSM) 100接收一模擬輸入 信號，并以明顯高于模擬輸入信號的頻寬的取樣率將此模擬輸入信號轉換成一數(shù)字輸出信 號。三角積分調變器100包括一減法電路101、一回路濾波器102、一量化器103以及一數(shù) 字模擬轉換器（digital-analog converter ;DAC) 104。數(shù)字模擬轉換器104將數(shù)字輸出信 號轉換成一模擬回授信號。減法電路101產生代表模擬輸入信號與模擬回授信號之間的差 距的一誤差信號?；芈窞V波器102對誤差信號進行濾波并產生一濾波后信號。量化器103 量化濾波后信號以生成數(shù)字輸出信號。三角積分調變器100頻譜塑形量化器103的量化噪 聲，致使量化噪聲成為數(shù)字輸出信號中大部份的高頻噪聲。只要取樣率足夠高于模擬輸入 信號的頻寬，這些頻譜塑形后的高頻噪聲成分大多在模擬輸入信號的頻寬之外，因此能夠 將其濾除。如此一來，則允許高解析度的模擬數(shù)字轉換能不使用高解析度的量化器。其中， 三角積分調變器的原理為本領域所熟知，故于此不再贅述。于此，量化器103可為1位元量 化器或多位元量化器。其中，多位元量化器優(yōu)于1位元量化器。然而，當量化器103為多位 元量化器時，由于數(shù)字模擬轉換器104必須將量化器103所產生的數(shù)字輸出信號轉換成模 擬回授信號，因此數(shù)字模擬轉換器104亦需為多位元數(shù)字模擬轉換器?？尚械亩辔辉獢?shù)字 模擬轉換器為非線性，然而其非線性的特性會促成三角積分調變器100的誤差，因而降低 其性能。
[0003] 動態(tài)元件匹配技術（例如：數(shù)據(jù)加權平均（data weighted averaging ;DWA))能用 以頻譜塑形由多位元數(shù)字模擬轉換器的非線性特性所造成的誤差，致使這些誤差亦成為高 頻噪聲。在動態(tài)元件匹配技術有效地抑制多位元數(shù)字模擬轉換器的非線性特性所造成的 靜態(tài)誤差時，這些技術仰賴在采用多位元數(shù)字模擬轉換器的組成元件上的動態(tài)且頻繁的變 化。如此會導致動態(tài)誤差的增加，因而降低三角積分調變器的性能。


【發(fā)明內容】

[0004] 鑒于以上的問題，本發(fā)明在于提供一種具有自我校正的三角積分調變器及其校正 方法，其能在不借助于在采用數(shù)字模擬轉換器的組成元件上的動態(tài)且頻繁的變化的情況 下，修正三角積分調變器的多位元數(shù)字模擬轉換器的非線性所造成的誤差。
[0005] 在一實施例中，三角積分調變器包括一多工器、一加總電路、一回路濾波器、一量 化器、一數(shù)字模擬轉換器以及一校正邏輯電路。多工器用以接收模擬輸入信號與共模信號， 以及依照選擇信號輸出多工信號。加總電路用以接收多工信號與模擬回授信號，以及輸出 誤差信號?；芈窞V波器用以接收誤差信號，以及輸出濾波后信號。量化器用以接收濾波后 信號，以及輸出原始數(shù)字輸出信號。數(shù)字模擬轉換器用以接收原始數(shù)字輸出信號，以及輸出 模擬回授信號與旋轉后數(shù)字輸出信號。校正邏輯電路用以接收旋轉后數(shù)字輸出信號與模式 指示信號，以及輸出校正后數(shù)字輸出信號。其中，共模信號可為一固定電位信號。校正邏輯 電路還可輸出選擇信號、相位指示信號與旋轉數(shù)信號。數(shù)字模擬轉換器依照相位指示信號 與旋轉數(shù)信號輸出模擬回授信號與旋轉后數(shù)字輸出信號。
[0006] 在一實施例中，一種三角積分調變器的自我校正方法包括將一三角積分調變器內 的多位元數(shù)字模擬轉換器設為第一狀態(tài)、計算三角積分調變器的輸出的第一均值、將多位 元數(shù)字模擬轉換器設為第二狀態(tài)、計算三角積分調變器的輸出的第二均值、依照第一均值 與第二均值之間的差距獲得多位元數(shù)字模擬轉換器的一校正權重、以及依照多位元數(shù)字模 擬轉換器的校正權重基于三角積分調變器的輸出的加權總和輸出三角積分調變器的校正 后數(shù)字輸出信號。
[0007] 在另一實施例中，一種三角積分調變器的自我校正方法包括依照選擇信號在模擬 輸入信號與共模信號之間擇一產生多工信號、將模擬回授信號與多工信號相減以產生誤差 信號、對誤差信號進行濾波以產生濾波后信號、量化濾波后信號以產生原始數(shù)字輸出信號、 依照相位指示信號與旋轉數(shù)信號旋轉原始數(shù)字輸出信號成旋轉后數(shù)字輸出信號、利用復數(shù) 個1位元數(shù)字模擬轉換器轉換旋轉后數(shù)字輸出信號成模擬回授信號、執(zhí)行旋轉后數(shù)字輸出 信號的權重加總以產生校正后數(shù)字輸出信號、以及藉由設定旋轉數(shù)信號以及計算校正后數(shù) 字輸出信號的第一均值與第二均值之間的差距來校正這些1位元數(shù)字模擬轉換器中之一 的權重。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] [圖1]為習知的三角積分調變器的功能方塊圖。
[0009] [圖2]為根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有自我校正的三角積分調變器的功能方塊圖。 [0010][圖3]為適用于圖2的三角積分調變器的數(shù)字模擬轉換器的功能方塊圖。
[0011][圖4]為適用于圖3的旋轉器的以福利羅（Verilog)語言描述的實例的示意圖。
[0012] [圖5]為根據(jù)本發(fā)明一實施例的三角積分調變器的自我校正方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0013] 于此，說明書揭示多個實施例，但應可了解的是本發(fā)明可以多種方法實現(xiàn)，并不限 于下述的特定范例或實現(xiàn)這些范例的任意特征的特定方法。在其他實例中，并未顯示或描 述公眾所知悉的細節(jié)，以避免混淆本發(fā)明的技術特征。
[0014] 圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有自我校正的三角積分調變器的功能方塊圖。為 了方便說明，以下以具有3位元（即，8位等）量化作用的具有自我校正的三角積分調變 器（delta-sigma modulator ;DSM)為例進行說明，但本發(fā)明不限于此。請參照圖2,三角積 分調變器200包括一加總電路201、一回路濾波器202、一量化器203、一數(shù)字模擬轉換器 (digital-analog converter ;DAC) 204、一校正邏輯電路205與一多工器206。加總電路 201、回路濾波器202、量化器203與數(shù)字模擬轉換器204依序串接成一回路。校正邏輯電路 205電性連接數(shù)字模擬轉換器204與多工器206。多工器206電性連接加總電路201。多 工器206接收一模擬輸入信號VIN與一共模信號VCM，以及依照一選擇信號FG_CAL輸出一 多工信號SIN。加總電路201用以接收多工信號SIN與一模擬回授信號SFB，以及輸出一誤 差信號E。回路濾波器202接收誤差信號E，以及輸出一濾波后信號F。量化器203接收濾 波后信號F，以及輸出一 7位元的原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]。原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]為 編碼成代表3位元8位等量化作用的7位元字的溫度計碼（thermometer-code)。數(shù)字模擬 轉換器204接收原始數(shù)字輸出信號Q [6:0]，以及依照一相位指示信號PH與一旋轉數(shù)信號R 輸出模擬回授信號SFB與一 8位元的旋轉后數(shù)字輸出信號D [7:0]。校正邏輯電路205接收 旋轉后數(shù)字輸出信號D [7:0]，以及依照一模式指示信號MODE輸出選擇信號FG_CAL、相位指 示信號PH、旋轉數(shù)信號R與一校正后數(shù)字輸出信號D0UT。
[0015] 當選擇信號FG_CAL為邏輯1時，三角積分調變器200為一前景校正模式；在此例 中，共模信號VCM受選為多工信號SIN。反之，則模擬輸入信號VIN受選為多工信號SIN。應 注意的是，共模信號VCM為一固定電位信號，并且此固定電位信號具有約落在數(shù)字模擬轉 換器204的輸出范圍的中間位置的振幅。亦應注意的是，在圖2中的共模信號VCM能以其 他振幅的固定電位信號替代。在一實施例中，回路濾波器202包括一積分器（integrator)。 在另一實施例中，回路濾波器202包括串接的多個積分器。在一實施例中，量化器203為一 3位元快閃（flash)模擬數(shù)字轉換器，并且此3位元快閃模擬數(shù)字轉換器包括7個比較器。 這些比較器比較濾波后信號F與7個參考電位，以產生7位元的原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]。 此原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]是代表濾波后信號F的電位的溫度計碼。加總電路201、回路 濾波器202、量化器203與溫度計碼為三角積分調變器中熟知元件，故于此不再贅述。
[0016] 圖3為適用于圖2的三角積分調變器200的數(shù)字模擬轉換器的功能方塊圖。參照 圖3,數(shù)字模擬轉換器300適用以實現(xiàn)圖2的三角積分調變器200中的數(shù)字模擬轉換器204。 數(shù)字模擬轉換器300包括8個1位元數(shù)字模擬轉換器320?327、一旋轉器330與一加總 電路340。8個1位元數(shù)字模擬轉換器320?327耦接在旋轉器330與加總電路340之間， 并且旋轉器330、8個1位元數(shù)字模擬轉換器320?327與加總電路340依序串接在量化器 203與加總電路201之間。旋轉器330接收7位元的原始數(shù)字輸出信號Q[6:0](即，7位元 Q[0]?Q [6])，并且依照相位指示信號PH與旋轉數(shù)信號R輸出8位元的旋轉后數(shù)字輸出信 號D [7:0](即，8位元D [0]?D [7])。8個1位元數(shù)字模擬轉換器320?327相應并分別接 收旋轉后數(shù)字輸出信號D [7:0]，以及相應并分別輸出8個模擬輸出信號A0?A7。加總電 路340接收8個模擬輸出信號A0?A7,并且輸出模擬回授信號SFB。
[0017] 參照圖3,旋轉器330是依照相位指示信號PH與旋轉數(shù)信號R產生旋轉后數(shù)字輸 出信號D[7:0]的一組合邏輯區(qū)塊。相位指示信號PH為不是1就是0的二進制指標。旋 轉數(shù)信號R為不低于〇且不大于6的整數(shù)。旋轉后數(shù)字輸出信號D [7:0]是藉由執(zhí)行原始 數(shù)字輸出信號Q[6:0]的旋轉并且產生恒為邏輯0的一附加位元。當相位指示信號PH為 〇時，旋轉后數(shù)字輸出信號的最高位元（D[7])為恒設為邏輯0的一附加位元，并且旋轉器 330依照旋轉數(shù)信號R執(zhí)行原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]的旋轉以產生旋轉后數(shù)字輸出信號 D[7:0]。若旋轉數(shù)信號R為0,無旋轉執(zhí)行。若旋轉數(shù)信號R為1，以1位旋轉原始數(shù)字輸 出信號Q[6:0]，例如：將7' bOOOllll旋轉成7' bOOlll 10。若旋轉數(shù)信號R為2,以2位元 旋轉原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]，例如：將7' bOOOllll旋轉成7' bOllllOO。若旋轉數(shù)信號 R為3,以3位元旋轉原始數(shù)字輸出信號Q[6:0]，例如：將7'b0001111旋轉成7'bllll000。 以此類推之。
[0018] 當相位指示信號PH為1時，除了要將旋轉后數(shù)字輸出信號中的最高位元（D[7]) 與旋轉后數(shù)字輸出信號中的第R+1位元（D[R])交換，旋轉后數(shù)字輸出信號D[7:0]與相位 指示信號PH為0時相同。舉例而言，假若在相位指示信號PH為0且旋轉數(shù)信號R為1時， 旋轉后數(shù)字輸出信號D[7:0]為8'bOOOllllO,然后在相位指示信號PH為1且旋轉數(shù)信號 R為1時，旋轉后數(shù)字輸出信號D[7:0]則為8' blOOlllOO。若于相位指示信號PH為0且 旋轉數(shù)信號R為2時，旋轉后數(shù)字輸出信號D[7:0]為8' bOOllllOO,然后于相位指示信號 PH為1且旋轉數(shù)信號R為2時，旋轉后數(shù)字輸出信號D[7:0]則為8'bl0111000。圖4是 以福利羅（Verilog)語言（其為一種硬件描述語言）描述的旋轉器330的一實施例的示意 圖。參照圖4,數(shù)理上，若相位指示信號PH為0,則D [n] =Q [mod (n -R, 7)],并且D [7]= 〇。其中，η為0?6。若相位指示信號ΡΗ為1，則除了于n = R時D[R] =0,否則D[n]= Q[mod(n -R，7)]，而 D[7] =0。其中，η為 0 ?6。
[0019] 參照圖3,模擬回授信號SFB是8個1位元數(shù)字模擬轉換器320?327的輸出的總 和。數(shù)理上，模擬回授信號SFB能寫成下式（1)或式（2)。
[0020]

【權利要求】
1. 一種三角積分調變器，包括： 一多工器，用以接收一模擬輸入信號與一共模信號以及依照一選擇信號輸出一多工信 號； 一加總電路，用以接收所述多工信號與一模擬回授信號以及輸出一誤差信號； 一回路濾波器，用以接收所述誤差信號以及輸出一濾波后信號； 一量化器，用以接收所述濾波后信號以及輸出一原始數(shù)字輸出信號； 一數(shù)字模擬轉換器，用以接收所述原始數(shù)字輸出信號以及依照一相位指示信號與一旋 轉數(shù)信號輸出所述模擬回授信號與一旋轉后數(shù)字輸出信號；以及 一校正邏輯電路，用以接收所述旋轉后數(shù)字輸出信號與一模式指示信號以及輸出所述 選擇信號、所述相位指示信號、所述旋轉數(shù)信號與一校正后數(shù)字輸出信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的三角積分調變器，其中所述數(shù)字模擬轉換器包括：一旋轉器， 以依照所述相位指示信號與所述旋轉數(shù)信號將所述原始數(shù)字輸出信號旋轉成所述旋轉后 數(shù)字輸出信號。
3. 根據(jù)權利要求2所述的三角積分調變器，其中所述數(shù)字模擬轉換器還包括：復數(shù)個1 位元數(shù)字模擬轉換器，以依照所述旋轉后數(shù)字輸出信號輸出所述模擬回授信號。
4. 根據(jù)權利要求3所述的三角積分調變器，其中所述校正邏輯電路藉由執(zhí)行所述旋轉 后數(shù)字輸出信號的一加權總和與使用每一所述1位元數(shù)字模擬轉換器的復數(shù)個校正權重 來輸出所述校正后數(shù)字輸出信號。
5. 根據(jù)權利要求4所述的三角積分調變器，其中每一所述校正權重是藉由設定對應的 所述旋轉數(shù)信號與計算于所述相位指示信號為一第一狀態(tài)時所述校正后數(shù)字輸出信號的 一第一均值與于所述相位指示信號為一第二狀態(tài)時所述校正后數(shù)字輸出信號的一第二均 值之間的差距。
6. 根據(jù)權利要求5所述的三角積分調變器，其中所述校正邏輯電路依照所述模式指示 信號以復數(shù)個運作模式中之一運作，且所述運作模式包括一重置模式、一前景校正模式、一 背景校正模式與一閑置模式。
7. 根據(jù)權利要求6所述的三角積分調變器，其中在所述前景校正模式與所述背景校正 模式中的任一模式下，所述旋轉數(shù)信號的值連續(xù)地改變，以及針對所述旋轉數(shù)信號的相同 值，于計算所述校正后數(shù)字輸出信號的所述第一均值的期間，所述相位指示信號設為所述 第一狀態(tài)，而于計算所述校正后數(shù)字輸出信號的所述第二均值的期間，所述相位指示信號 設為所述第二狀態(tài)。
8. -種三角積分調變器的自我校正方法，包括： 將一三角積分調變器內的一多位兀數(shù)字模擬轉換器設為一第一狀態(tài)； 計算所述三角積分調變器的一輸出的一第一均值； 將所述多位元數(shù)字模擬轉換器設為一第二狀態(tài)； 計算所述三角積分調變器的所述輸出的一第二均值； 依照所述第一均值與所述第二均值之間的差距獲得所述多位元數(shù)字模擬轉換器的一 校正權重；以及 依照所述多位元數(shù)字模擬轉換器的所述校正權重基于所述三角積分調變器的輸出的 一加權總和輸出所述三角積分調變器的一校正后數(shù)字輸出信號。
9. 根據(jù)權利要求8所述的三角積分調變器的自我校正方法，其中所述多位元數(shù)字模擬 轉換器包括復數(shù)個1位元數(shù)字模擬轉換器。
10. 根據(jù)權利要求9所述的三角積分調變器的自我校正方法，其中所述第一狀態(tài)與所 述第二狀態(tài)之間的結構差距表示為所述1位元數(shù)字模擬轉換器中的兩個的互換。
11. 一種三角積分調變器，包括： 一多工器，用以接收一模擬輸入信號與一固定電位信號以及依照一選擇信號輸出一多 工信號； 一加總電路，用以接收所述多工信號與一模擬回授信號以及輸出一誤差信號； 一回路濾波器，用以接收所述誤差信號以及輸出一濾波后信號； 一量化器，用以接收所述濾波后信號以及輸出一原始數(shù)字輸出信號； 一數(shù)字模擬轉換器，用以接收所述原始數(shù)字輸出信號以及輸出所述模擬回授信號與一 旋轉后數(shù)字輸出信號；以及 一校正邏輯電路，用以依照所述旋轉后數(shù)字輸出信號輸出一校正后數(shù)字輸出信號。
12. 根據(jù)權利要求11所述的三角積分調變器，其中所述數(shù)字模擬轉換器包括：一旋轉 器，以將所述原始數(shù)字輸出信號旋轉成所述旋轉后數(shù)字輸出信號。
13. 根據(jù)權利要求12所述的三角積分調變器，其中所述數(shù)字模擬轉換器還包括：復數(shù) 個1位元數(shù)字模擬轉換器，以依照所述旋轉后數(shù)字輸出信號輸出所述模擬回授信號。
14. 根據(jù)權利要求13所述的三角積分調變器，其中所述校正邏輯電路藉由執(zhí)行所述旋 轉后數(shù)字輸出信號的一加權總和與使用每一所述1位元數(shù)字模擬轉換器的復數(shù)個校正權 重來輸出所述校正后數(shù)字輸出信號。
15. 根據(jù)權利要求14所述的三角積分調變器，其中每一所述校正權重藉由計算所述校 正后數(shù)字輸出信號的一第一均值與所述校正后數(shù)字輸出信號的一第二均值之間的差距來 得到。
16. 根據(jù)權利要求15所述的三角積分調變器，其中所述校正邏輯電路以復數(shù)個運作模 式中之一運作，且所述運作模式包括一重置模式、一前景校正模式、一背景校正模式與一閑 置模式。
17. 根據(jù)權利要求11所述的三角積分調變器，其中所述校正邏輯電路藉由計算所述校 正后數(shù)字輸出信號的一第一均值與所述校正后數(shù)字輸出信號的一第二均值之間的差距來 輸出所述校正后數(shù)字輸出信號。
18. 根據(jù)權利要求11所述的三角積分調變器，其中所述數(shù)字模擬轉換器為一多位元數(shù) 字模擬轉換器。
19. 一種三角積分調變器的自我校正方法，包括： 依照一選擇信號在一模擬輸入信號與一共模信號之間擇一產生一多工信號； 將一模擬回授信號與所述多工信號相減以產生一誤差信號； 對所述誤差信號進行濾波以產生一濾波后信號； 量化所述濾波后信號以產生一原始數(shù)字輸出信號； 依照一相位指示信號與一旋轉數(shù)信號旋轉所述原始數(shù)字輸出信號成一旋轉后數(shù)字輸 出信號； 利用復數(shù)個1位元數(shù)字模擬轉換器轉換所述旋轉后數(shù)字輸出信號成所述模擬回授信 號； 執(zhí)行所述旋轉后數(shù)字輸出信號的一權重加總以產生一校正后數(shù)字輸出信號；以及 藉由設定一旋轉數(shù)信號以及計算所述校正后數(shù)字輸出信號的一第一均值與一第二均 值之間的差距來校正所述1位元數(shù)字模擬轉換器中之一的權重。
20.根據(jù)權利要求19所述的三角積分調變器的自我校正方法，還包括： 設定所述相位指示信號為一第一狀態(tài)； 于所述相位指示信號為所述第一狀態(tài)時，計算所述校正后數(shù)字輸出信號的所述第一均 值； 設定所述相位指示信號為一第二狀態(tài)；以及 于所述相位指示信號為所述第二狀態(tài)時，計算所述校正后數(shù)字輸出信號的所述第二均 值。
【文檔編號】H03M3/02GK104253615SQ201410292604
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權日:2013年6月27日
【發(fā)明者】林嘉亮 申請人:瑞昱半導體股份有限公司