專利名稱：過量采樣高階調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過量采樣高階調(diào)制器，特別是∑Δ調(diào)制器。
在使用基于過量采樣和∑Δ(增量)調(diào)制的噪音整形技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)中，信號(hào)在一個(gè)∑Δ調(diào)制器中，以一個(gè)過量采樣頻率被量化為一個(gè)或幾個(gè)比特。產(chǎn)生的量化噪音以這樣一種方式進(jìn)行整形即使得殘留在實(shí)際信號(hào)帶寬頻帶中的量化噪音的比例盡可能小，并將噪音移出信號(hào)帶。噪音整形的性能主要依賴于噪音整形器的階次和過量采樣比率，即∑Δ調(diào)制器。一個(gè)高階調(diào)制器可以比低階調(diào)制器更多地減弱信號(hào)帶中的量化噪音。因此，高階調(diào)制器可以提供更好的信號(hào)帶信噪比，但這會(huì)使得信號(hào)帶之外產(chǎn)生更多的噪音能量。然而，這種信號(hào)帶外的量化噪音很容易通過濾波來消除。
因此，使用高階調(diào)制器就相當(dāng)優(yōu)越，因?yàn)樗梢蕴岣咝旁氡取５褂眠@種調(diào)制器會(huì)受到穩(wěn)定性問題的限制。
眾所周知，低階，即一階調(diào)制器，不論輸入信號(hào)的電平大小，都可以保持穩(wěn)定，二階∑Δ調(diào)制器也是如此。但在三階或更高階的高階∑Δ調(diào)制器中存在嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題。高階調(diào)制器的穩(wěn)定性依賴于輸入信號(hào)的幅度。當(dāng)調(diào)制器處于不穩(wěn)定操作狀態(tài)時(shí)，積分器的輸出電壓/輸出值會(huì)突然增大，并且從調(diào)制器輸出的比特流不依靠輸入信號(hào)，開始自行振蕩。即使輸入信號(hào)再返回穩(wěn)定操作范圍，高階調(diào)制器也不會(huì)返回線性操作范圍。
一種已知的目的在于保持調(diào)制器的穩(wěn)定性的方案，精細(xì)地將積分器的電壓范圍限制在穩(wěn)定的操作范圍之內(nèi)。由于調(diào)制器的第一級(jí)中應(yīng)避免使用產(chǎn)生干擾的附加電路，所以就限制積分器的電壓范圍來說，在實(shí)際實(shí)施中存在問題，在這里調(diào)制器的靈敏度(sensitivity)達(dá)到最高。
美國專利5,012,244公開了一種高階∑Δ調(diào)制器的穩(wěn)定電路，包括一個(gè)比較器，它在檢測(cè)到調(diào)制器的操作處于一種不穩(wěn)定或近似不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對(duì)調(diào)制器中的至少一個(gè)積分器進(jìn)行復(fù)位。芬蘭專利88,765公開了一種相似的穩(wěn)定電路，其中只有調(diào)制器的最后一個(gè)積分器會(huì)被復(fù)位，即調(diào)制器的階次被降低了。這種積分器復(fù)位是從不穩(wěn)定狀態(tài)恢復(fù)調(diào)制器的有效方法，但在調(diào)制器的操作中仍存在著明顯的干擾。
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種不需要對(duì)積分器復(fù)位的調(diào)制器穩(wěn)定性。
本發(fā)明涉及一種過量采樣高階調(diào)制器，尤其是一種∑Δ調(diào)制器，包括個(gè)數(shù)與調(diào)制器階數(shù)對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)積分器，一個(gè)量化器，和一個(gè)從調(diào)制器量化輸出端到至少一個(gè)積分器輸入端的負(fù)反饋，一個(gè)檢測(cè)調(diào)制器不穩(wěn)定狀態(tài)的裝置，和一個(gè)恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置，其特征在于，在恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置中包括用于暫時(shí)改變所述反饋的值，以恢復(fù)穩(wěn)定操作的裝置。
本發(fā)明基于這樣一個(gè)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)高階∑Δ調(diào)制器也能夠通過臨時(shí)改變∑Δ調(diào)制器中積分器的反饋值來進(jìn)行穩(wěn)定。這個(gè)過程不象對(duì)一些或全部積分器進(jìn)行復(fù)位那樣有效，但它足夠用來恢復(fù)調(diào)制器的穩(wěn)定性。而且，∑Δ調(diào)制器的性能，例如在信噪比方面，調(diào)制器的狀態(tài)改變得越少，信噪比就越好。
本發(fā)明將參照附圖通過示例作更詳細(xì)的描述，其中

圖1是一個(gè)依據(jù)本發(fā)明的調(diào)制器的模塊圖。
圖2是圖1中的一個(gè)積分電路級(jí)及其反饋的實(shí)施方案的示意圖。
圖3是依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)調(diào)制器的模塊圖。
圖4是依據(jù)本發(fā)明的第三調(diào)制器的模塊圖。
圖5是依據(jù)本發(fā)明的前饋調(diào)制器的模塊圖。
∑Δ調(diào)制器可以通過使用如圖1到4所示的多路反饋(MF)結(jié)構(gòu)或圖5所示的前饋(FF)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。MF和FF∑Δ調(diào)制器都包括一串聯(lián)的n級(jí)積分電路H1，H2，H3，…Hn，其中n是一個(gè)正整數(shù)。調(diào)制器的階數(shù)等于積分電路的級(jí)數(shù)。一個(gè)包含至少三個(gè)積分電路級(jí)的調(diào)制器(一個(gè)三階調(diào)制器)稱作高階調(diào)制器。圖1、3和4的MF調(diào)制器結(jié)構(gòu)中，當(dāng)信號(hào)被送往第一積分電路級(jí)H1之前，在一個(gè)減法器裝置11中，將從調(diào)制器輸出的一個(gè)由反饋系數(shù)b1調(diào)節(jié)的反饋信號(hào)從調(diào)制器的輸入信號(hào)AIN中減去。類似地，每個(gè)后續(xù)的積分電路級(jí)H2、H3、H4都分別包含一個(gè)減法器裝置12、13、14，它們從前邊積分器的輸出信號(hào)中減去分別由反饋系數(shù)b2，b3，b4調(diào)節(jié)的反饋信號(hào)，并將差值傳送到下一個(gè)積分電路級(jí)的輸入端。調(diào)制器還可以包含調(diào)節(jié)裝置16、17、18和19，它們調(diào)節(jié)從輸入AIN到求和裝置11的信號(hào)，以及在求和裝置12，13和14之前的前邊的調(diào)制器的信號(hào)。例如，調(diào)節(jié)裝置16、17、18和19的調(diào)節(jié)系數(shù)可以是a1＝a2＝a3＝a4＝1。為了生成前述的反饋信號(hào)，調(diào)制器包括一個(gè)開關(guān)裝置20，它在量化器15(及整個(gè)調(diào)制器)的數(shù)字輸出信號(hào)DOUT模式的基礎(chǔ)上，選擇參考電壓+Vref和-Vref中的一個(gè)作為反饋信號(hào)。調(diào)節(jié)裝置21、22、23和24用上述反饋系數(shù)b1、b2、b3和b4調(diào)節(jié)所選的反饋信號(hào)。例如系數(shù)可以象下面這樣設(shè)定b1＝1，b2＝4，b3＝16及b4＝64。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)調(diào)制器進(jìn)入一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，這種MF調(diào)制器通過改變調(diào)制器的負(fù)反饋值來使其穩(wěn)定。反饋值可以按幾種不同的方式進(jìn)行變化，下面將對(duì)其中的兩種作更詳細(xì)的討論1)一個(gè)或幾個(gè)反饋系數(shù)b1、b2、b3和b4被改變，或者2)參考電壓+Vref和-Vref被改變。圖1到3描繪了前一種情況。在圖1中，一個(gè)比較器25監(jiān)控最后一個(gè)積分器H5的輸出電壓/數(shù)字值并將其與一個(gè)預(yù)定閾值REF進(jìn)行比較。當(dāng)超過了閾值時(shí)，比較器25輸出一個(gè)控制信號(hào)26，該信號(hào)改變調(diào)節(jié)裝置22和23的系數(shù)b2和b3。比較器25還可以監(jiān)控另一些積分器H1、H2或H3的輸出。調(diào)制器還可以包含幾個(gè)比較器25，以便同時(shí)對(duì)幾個(gè)積分器的輸出進(jìn)行監(jiān)控。在A/D轉(zhuǎn)換器中，積分器是模擬的，而比較器25通常也是模擬的。在D/A轉(zhuǎn)換器中積分器是數(shù)字的，其中比較器25監(jiān)控一個(gè)積分器是否溢出或積分器的數(shù)字輸出字是否超過一個(gè)預(yù)定的數(shù)字閾值。
調(diào)制器的不穩(wěn)定狀態(tài)也可以如圖3所示，通過監(jiān)控調(diào)制器的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)而檢測(cè)出來。如果調(diào)制器的輸出數(shù)據(jù)保持一個(gè)不變的狀態(tài)，即它連續(xù)幾次重復(fù)相同的代碼，就可以作出結(jié)論，調(diào)制器是處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。“幾次”意思是比如兩倍于調(diào)制器的階次，它在實(shí)際中已經(jīng)是正表示。在模擬和數(shù)字調(diào)制器中，調(diào)制器的輸出都是一個(gè)數(shù)字代碼。在圖3的實(shí)施方案中，為了有足夠的時(shí)間，這個(gè)調(diào)制器的輸出代碼被送入一個(gè)先入先出FIFO存儲(chǔ)器。當(dāng)整個(gè)FIFO或其中某一部分的內(nèi)容被一個(gè)和同樣的代碼填充時(shí)，調(diào)制器是不穩(wěn)定的，且FIFO向調(diào)節(jié)裝置22和23提供一個(gè)控制信號(hào)26。圖3的電路在其它方面與圖1的電路是相同的。
圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)圖1調(diào)制器中調(diào)節(jié)裝置17和22、求和裝置12和積分器H2的一個(gè)實(shí)施方案。調(diào)節(jié)裝置18和23、求和裝置13和后續(xù)的積分電路級(jí)中的積分器H3以同樣的方式得到實(shí)現(xiàn)。在圖2中，開關(guān)S1、S4、S5和S8由過量采樣時(shí)鐘的第一相位(如前沿)控制，而開關(guān)S2、S3、S6和S7由時(shí)鐘的第二相位(如后沿)來控制。在調(diào)節(jié)裝置17中，開關(guān)S1和S4先關(guān)閉，于是一個(gè)對(duì)前一積分器H1輸出電壓的采樣被送到電容器C1。在下一個(gè)時(shí)鐘相位，開關(guān)S1和S4打開，而開關(guān)S2和S3關(guān)閉，于是在電容器C1中的采樣被送到積分器H2的輸入端。電容器C1的值決定調(diào)節(jié)系數(shù)a2。
當(dāng)敘述調(diào)節(jié)裝置22的結(jié)構(gòu)和操作時(shí)，首先假設(shè)調(diào)制器是處于穩(wěn)定狀態(tài)并且開關(guān)S9是打開的。在采樣時(shí)鐘的第一相位，開關(guān)S5和S8是關(guān)閉的，而開關(guān)S7和S6是打開的。然后，反饋信號(hào)±Vref對(duì)電容器C3充電。在時(shí)鐘信號(hào)的第二相位，開關(guān)S5和S8是打開的，而開關(guān)S6和S7是關(guān)閉的，于是儲(chǔ)存在電容器C3中的采樣被加到積分器H2的輸入端，在這里它被加到從調(diào)節(jié)裝置17得到的采樣上。在正常的操作中，電容器C3的值決定反饋系數(shù)b2的值。當(dāng)調(diào)制器在不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制信號(hào)26使開關(guān)S9關(guān)閉，于是電容器C2與C3并聯(lián)耦合?？傠娙轂镃＝C2+C3。電容器C2的值優(yōu)先以這樣一種方式進(jìn)行選擇，即得到的電容C至少是1.5×C3，于是新的反饋系數(shù)b2’也最小為1.5×b3。如果C2＝C3，則b2’＝2×b2。在不穩(wěn)定狀態(tài)下，調(diào)節(jié)裝置22的操作如上所述，采樣信號(hào)對(duì)電容器C2和C3都充電的情況除外。當(dāng)調(diào)制器回到穩(wěn)定狀態(tài)，控制信號(hào)26打開開關(guān)S9，于是調(diào)節(jié)裝置的操作及耦合系數(shù)變得正常。
圖5顯示了一個(gè)前饋調(diào)制器結(jié)構(gòu)。調(diào)制器包括串聯(lián)的積分電路級(jí)H1、H2、H3和H4。在減法器裝置51中，一個(gè)從調(diào)制器輸出端來的反饋信號(hào)被從調(diào)制器的輸入信號(hào)AIN中減去，且差值被送入第一積分電路級(jí)。積分器H1的輸出被送到積分器H2，積分器H2的輸出被送到積分器H3，而積分器H3的輸出送到積分器H4。積分器H1、H2、H3和H4的輸出還分別通過調(diào)節(jié)裝置52、53、54和55與求和裝置56相連。調(diào)節(jié)裝置52、53、54和55的調(diào)節(jié)系數(shù)分別為a1、a2、a3和a4。求和裝置56向量化器57提供一個(gè)求和信號(hào)，量化器提供一個(gè)調(diào)制器的輸出信號(hào)，數(shù)字輸出信號(hào)DOUT。信號(hào)DOUT還連接到通過用系數(shù)b1調(diào)節(jié)信號(hào)DOUT提供上述反饋信號(hào)的調(diào)節(jié)裝置58上。調(diào)制器還包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定電路，由一個(gè)比較器59和一個(gè)可調(diào)調(diào)節(jié)裝置58組成。比較器59將積分器H4的輸出信號(hào)與一個(gè)預(yù)定閾值相比較。當(dāng)超過這個(gè)閾值時(shí)，調(diào)制器被認(rèn)定處于一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，比較器59提供一個(gè)使可調(diào)調(diào)節(jié)裝置58改變反饋系數(shù)b1的控制信號(hào)60。可調(diào)調(diào)節(jié)裝置58可以用與圖2中的調(diào)節(jié)裝置22相同的方法實(shí)現(xiàn)。調(diào)制器的不穩(wěn)定狀態(tài)也可以用圖1到4中所描述的不同方法進(jìn)行檢測(cè)。
相關(guān)的附圖和說明僅僅用來描述本發(fā)明，然而，必須看到，上述解決方法可以以多種方式進(jìn)行修改，而不脫離本發(fā)明在所附權(quán)利要求中定義的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種過量采樣高階調(diào)制器，特別是一種∑Δ調(diào)制器，包括個(gè)數(shù)與調(diào)制器階數(shù)相對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)積分器(H1、H2、…HN)，一個(gè)量化器(15、57)，及一個(gè)從調(diào)制器量化輸出(DOUT)到至少一個(gè)積分器輸入間的負(fù)反饋(21、22、23、24)，一個(gè)檢測(cè)調(diào)制器不穩(wěn)定狀態(tài)的裝置(FIFO，25、29)，及恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置，其特征在于在恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置中包含臨時(shí)將所述反饋值朝著可以恢復(fù)穩(wěn)定操作的方向改變的裝置(22、23、58)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其特征在于檢測(cè)調(diào)制器不穩(wěn)定狀態(tài)的裝置包含一個(gè)比較器(25、59)，它將至少一個(gè)積分器的輸出和一個(gè)預(yù)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過所述閾值時(shí)，激活恢復(fù)穩(wěn)定操作的裝置(22、23、58)。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其特征在于檢測(cè)調(diào)制器不穩(wěn)定狀態(tài)的裝置包含一個(gè)裝置(FIFO)，它監(jiān)控調(diào)制器的輸出信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)保持不變狀態(tài)時(shí)，激活恢復(fù)穩(wěn)定操作的裝置(22，23)。
4.依據(jù)權(quán)利要求3的調(diào)制器，其特征在于所述監(jiān)控裝置是一個(gè)串行寄存器(FIFO)，它可以從調(diào)制器的量化輸出接收預(yù)定個(gè)數(shù)的數(shù)字代碼，當(dāng)寄存器的至少一部分內(nèi)容被一個(gè)和同樣的代碼填充時(shí)，寄存器認(rèn)為調(diào)制器處于一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。
5.依據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的調(diào)制器，其特征在于所述至少一個(gè)負(fù)反饋包括第一和第二參考電壓(+Vref，-Vref)；選擇器(20)，根據(jù)調(diào)制器量化輸出的狀態(tài)選擇參考電壓；乘法裝置(21、22、23、24)，在與積分器的輸入相加之前，用一個(gè)預(yù)定反饋系數(shù)乘以所選的參考電壓；和改變反饋值的裝置，包括一個(gè)在調(diào)制器處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，改變第一和第二參考電壓的裝置。
6.依據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的調(diào)制器，其特征在于在所述至少一個(gè)負(fù)反饋中包括一個(gè)乘法裝置(58)，在與積分器輸入相加之前，用一個(gè)預(yù)定反饋系數(shù)乘以反饋信號(hào)；和改變反饋值的裝置，包含一個(gè)在調(diào)制器處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，改變所述預(yù)定反饋系數(shù)的裝置(S5、S6、S7、S8)。
7.依據(jù)權(quán)利要求6的調(diào)制器，其特征在于在調(diào)制器的不穩(wěn)定狀態(tài)下，反饋系數(shù)至少比在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)高1.5倍。
8.依據(jù)前述任何權(quán)利要求的一個(gè)調(diào)制器，其特征在于調(diào)制器是一個(gè)前饋或多路反饋∑Δ調(diào)制器。
9.一種包含過量采樣高階∑Δ調(diào)制器的∑ΔA/D轉(zhuǎn)換器，其中∑Δ調(diào)制器包括數(shù)目與調(diào)制器階數(shù)對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)積分器(H1、H2、H3、H4、H5)，一個(gè)量化器(15，57)，一個(gè)從調(diào)制器量化輸出(DOUT)到至少一個(gè)積分器輸入間的負(fù)反饋(21、22、23、24、58)，一個(gè)檢測(cè)調(diào)制器不穩(wěn)定狀態(tài)的裝置(25、FIFO)，及恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置，所述∑ΔA/D轉(zhuǎn)換器的特征在于在恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定狀態(tài)的裝置中包含臨時(shí)將所述反饋值向恢復(fù)穩(wěn)定操作的方向改變的裝置(22，23，58)。
10.一種包含過量采樣高階∑Δ調(diào)制器的∑ΔA/D轉(zhuǎn)換器，其中∑Δ調(diào)制器包括數(shù)目與調(diào)制器階數(shù)對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)積分器(H1、H2、H3、H4、H5)，一個(gè)量化器(15、57)，一個(gè)從調(diào)制器量化輸出到至少一個(gè)積分器輸入間的負(fù)反饋(21、22、23、24、58)，一個(gè)檢測(cè)調(diào)制器不穩(wěn)定狀態(tài)的裝置(25、59)，及恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置，所述∑ΔA/D轉(zhuǎn)換器的其特征在于在恢復(fù)調(diào)制器穩(wěn)定操作的裝置中包含臨時(shí)將所述反饋值向恢復(fù)穩(wěn)定操作的方向改變的裝置(22、23、58)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種過量采樣高階調(diào)制器，特別是一種∑△調(diào)制器，包括數(shù)目與調(diào)制器階數(shù)對(duì)應(yīng)的積分器(H1，H2，…HN)，一個(gè)量化器(15)，及一個(gè)負(fù)反饋(21，22，23，24)。高階調(diào)制器存在的問題是，調(diào)制器被鎖定在一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)在不干擾調(diào)制器操作的情況下恢復(fù)它。本發(fā)明通過臨時(shí)將負(fù)反饋的值朝著恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)的方向改變而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03M3/04GK1150507SQ95193498
公開日1997年5月21日 申請(qǐng)日期1995年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月7日
發(fā)明者朱哈·?；? 勞里·里帕斯蒂 申請(qǐng)人:芬西泰克元件公司