带抖动的西格玛德尔塔调制器 |
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| 申请号 | CN201380008559.2 | 申请日 | 2013-02-08 | 公开(公告)号 | CN104137422B | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
| 申请人 | 美国亚德诺半导体公司; | 发明人 | R·S·毛瑞诺; C·G·莱登; | ||||
| 摘要 | 一种西格玛德尔塔 调制器 可以包括环路 滤波器 和加法器，所述加法器配置成接受 环路滤波器 的输出和抖动输入 信号 。加法器可进一步配置成将环路滤波器的输出和抖动 输入信号 组合成组合 输出信号 。西格玛德尔塔调制器还可以包括量化器，其配置成接受来自加法器的组合输出信号，并且将组合信号量 化成 量化器输出信号。西格玛德尔塔调制器可以进一步包括第一减法器，其配置成接受量化器输出信号并且从量化器输出信号中减去抖动输入信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种西格玛德尔塔调制器，包括： |
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| 说明书全文 | 带抖动的西格玛德尔塔调制器[0002] 本申请要求于2012年2月10日递交的美国临时申请61/597,422的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于本文中。 技术领域[0003] 本发明涉及一种改进的西格玛德尔塔调制器。在低输入值下工作或者具有DC输入的西格玛德尔塔调制器会遇到杂散影响(tonal behavior)问题。例如，输出频谱会显示出大的杂散，导致信噪比(SNR)下降。作为有意施加的一种形式的噪声的抖动可引入以破坏这种杂散。然而，抖动的引入需要具有额外净空的环路滤波器。 背景技术[0004] 如图1所示，抖动110通常可添加到常规的西格玛德尔塔调制器中的量化器130之前。以此方式，抖动噪声由环路滤波器120整形，并且在调制器100的输出处，信号带宽中将存在极小的抖动功率。然而，在此情况下，抖动将被添加到反馈环中，也需要环路滤波器120中有额外的净空。例如，在具有统一信号传递函数的西格玛德尔塔调制器的情况下，环路滤波器120可以仅处理量化器误差。如果抖动添加到量化器输入，则抖动直接添加到量化器误差中，需要增加环路滤波器120的净空。增加的净空通常导致更高的功耗。在低的电源处，在环路滤波器120中可以不使用功效好的伸缩式运算跨导放大器(OTA)。因此，可能要求需要额外功率的两级放大器来适应较大的输出摆动。附图说明 [0005] 图1示出了常规的西格玛德尔塔调制器。 [0006] 图2示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0007] 图3示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0008] 图4A示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0009] 图4B示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0010] 图4C示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0011] 图5示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0012] 图6示出了根据本发明的实施方案的组合积分器/加法器。 [0013] 图7示出了根据本发明的实施方案的组合积分器/加法器。 [0014] 图8示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器。 [0015] 图9示出了表示使用标准抖动和减式抖动的积分器摆动的一系列曲线图。 具体实施方式[0016] 本发明的实施方案提供了带抖动的西格玛德尔塔调制器。本发明的实施方案可以免除在将抖动引入西格玛德尔塔调制器中时对于环路滤波器中的额外净空的要求。本发明的实施方案可以在量化器的输入处引入抖动，但是然后在量化器的输出处将抖动去除。通过这样，可以避免与添加抖动和额外净空相关联的增加的功率要求。 [0017] 本发明的实施方案可以提供利用例如一阶数字处理级来提供经整形抖动。将抖动整形可使得对于抖动DAC的精度要求得以松弛。此外，使用一阶整形抖动允许滤波器DAC将第一积分器输出处的未整形抖动相加。这样，可以避免环路滤波器的净空的增加，提高了西格玛德尔塔调制器的功率效率。 [0018] 图2示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器200。西格玛德尔塔调制器200可以包括第一减法器205、抖动源210、加法器215、环路滤波器220、第二减法器225、量化器230和设在反馈路径中的数模转换器(DAC)240。第一减法器205可以具有用于输入信号IN的输入以及由DAC 240提供的反馈信号，并且可以具有用于表示输入信号IN与反馈信号之差的信号的输出。DAC 240可以将来自调制器200的输出信号 OUT转换成模拟表示，该模拟表示可以变成第一减法器205的反馈信号。因此，第一减法器205的输出可以表示输入信号IN与输出信号OUT之差。环路滤波器220可以是低通滤波器，其对由第一减法器205提供的差信号进行滤波。在可选的实施方案中，环路滤波器220可以是带通滤波器或高通滤波器。 [0019] 抖动源210可以将抖动信号引入调制器200，其可以是有意施加的形似的噪声。抖动信号可以经由加法器215施加到环路滤波器220的输出。在实施方案中，抖动信号可以被整形，如下面参照图4A-4C 和图5进一步论述的。 [0020] 量化器230可以将输入信号量化并且将其输出到第二减法器225。第二减法器225可以从量化器230的输出中减去抖动信号。在实施方案中，量化器230可以是标量量化器或舍入量化器。第二减法器225的输出可以从系统200输出而作为系统的输出信号OUT。 [0021] 如所提到的，DAC 240可以设置在调制器200的反馈路径中。DAC 240 可以将输出信号OUT转换成模拟表示，该模拟表示可以输入到减法器205。 [0022] 如上所述，抖动信号可以在加法器215处引入且在减法器225处去除。这样，抖动可由量化器230利用以破坏可能的杂散影响，否则杂散影响会由于量化器230产生的量化误差而发生。同时，由于抖动由减法器225去除，所以抖动不需要在环路滤波器220内提供额外的净空来适应抖动信号。因此，通过在环路滤波器220之后而在量化器230之前的点处引入抖动信号，并且进一步通过紧接在抖动信号输入到环路滤波器220之前去除抖动信号，图2的实施方案为通常与添加抖动相关联的净空问题提供了直接的且低成本的解决方案。 [0023] 图3示出了根据本发明的另一实施方案的西格玛德尔塔调制器300。西格玛德尔塔调制器300可以包括第一减法器305、抖动源310、加法器 315、环路滤波器320、第二减法器325、量化器330和各种DAC 340-360. 调制器300可以在第一减法器305的输入处接受输入信号IN并且可以在第二减法器325的输出端子处产生输出信号OUT。 [0024] 在图3所示的实施方案中，抖动源310可以产生抖动信号，该抖动信号作为数字信号被输入到调制器300。DAC 350和360可以产生抖动信号的模拟表示，其可分别输入减法器305和加法器315。而且，在实施方案中，抖动可被整形，如下面参照图4A-4C 和图5进一步论述的。 [0025] 第一减法器305可以具有用于输入信号IN、抖动信号D的模拟表示以及由调制器300的反馈路径中的DAC 340生成的反馈信号FB的输入。第一减法器305可以生成输出，该输出表示输入信号与减去了抖动的量化输出信号QOUT之差(例如ΔIN＝IN-(QOUT–D))。值得注意的是，OUT ＝QOUT–D。因此，有效地，ΔIN＝IN–OUT。来自第一减法器305的输出信号可以输入到环路滤波器320。环路滤波器320可以是低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器。 [0026] 环路滤波器320的输出可以连同抖动信号的模拟表示一起输入到加法器315。加法器315可以将抖动信号与环路滤波器输出相加，结果可输入量化器330。量化器330可以生成输入到其中的信号的数字表示并且将信号输出到减法器325。因此，量化器330的输出可以包括抖动分量，该抖动分量可以减少量化器输出中的杂散影响。 [0027] 第二减法器325可以从量化器330的输出中减去抖动信号D，这有效地抵消了量化器330的输出中的抖动分量。第二减法器325的输出可以作为输出信号OUT从调制器300中输出。 [0028] 在图3所示的实施方案中，反馈路径中的DAC 340从量化器330的输出取得其输入，如所提到的，量化器330的输出包括抖动分量。DAC 340 可以生成提供给其中的数字信号的模拟表示，因此，可以生成反馈信号。量化器330可以是用来对输入信号进行量化的标量或舍入量化器。量化器 330可以位于加法器315与减法器325之间。 [0029] 在图3所示的实施方案中，在加法器315处的环路滤波器320之后引入抖动(以及通过DAC 350去除减法器325和305处的抖动)，可以避免对于补偿环路滤波器320处的抖动的额外净空的需要。因为抖动在到达环路滤波器320之前被抵消，所以不会由于引入抖动而在环路滤波器320处需要额外净空。另外，抖动DAC 350用于从反馈环中去除抖动。这样，抖动可由量化器330使用来破坏由于量化器330产生的量化误差而呈现出的可能的杂散影响，而无需增加用来补偿环路滤波器320处的抖动的额外净空。 [0030] 图4A是根据本发明的另一实施方案的西格玛德尔塔调制器400。西格玛德尔塔调制器400可以包括第一减法器405、抖动源410、加法器415、环路滤波器420、第二减法器425、量化器430、各种DAC 440-460以及整形单元470。调制器400可以在第一减法器405的输入处接受输入信号IN 并且可以在第二减法器425的输出端子处生成输出信号OUT。 [0031] 在图4A所示的实施方案中，抖动源410可以生成抖动信号，抖动信号作为数字信号输入到调制器400。DAC 450和460可以生成抖动信号的模拟表示，其可分别输入到减法器405和加法器415。而且，在实施方案中，抖动可通过例如整形单元470来整形。整形单元470可以是根据诸如 1-z-1的函数对抖动整形的数字处理级滤波器。通过这种方式，抖动DAC 450和460的精度可以松弛，同时仍在环路滤波器420的输入之前充分地抵消抖动。 [0032] 第一减法器405可以具有用于输入信号IN、经整形抖动信号D的模拟表示以及由调制器400的反馈路径中的DAC 440生成的反馈信号FB的输入。第一减法器可以生成输出，该输出表示输入信号与减去了经整形抖动的量化器输出信号QOUT之差(例如，ΔIN＝IN-(QOUT-D(1-z-1)))。而且，值得注意的是，ΔIN＝IN–OUT。来自第一减法器405的输出信号ΔIN可以输入到环路滤波器420。环路滤波器420可以是低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器。根据环路滤波器的类型，可能需要不同的抖动整形函数。低通环路滤波器可能需要高通抖动整形函数，诸如1-z-1。带通环路滤波器可能需要带止抖动整形函数。高通环路滤波器可能需要低通抖动整形函数。 [0033] 环路滤波器420的输出可以连同经整形抖动信号的模拟表示一起输入到加法器415。加法器415可以将经整形抖动信号与环路滤波器的输出相加，结果可输入量化器430。 量化器430可生成输入到其中的信号的数字表示并且可以将信号输出到减法器425。因此，量化器430的输出包括抖动分量。 [0034] 第二减法器425可以从量化器430的输出中减去经整形抖动信号D(1- z-1)，这样可以有效地抵消量化器输出中的抖动分量。第二减法器425的输出可以作为输出信号OUT从调制器400中输出。 [0035] 在图4A所示的实施方案中，反馈路径中的DAC 440从量化器430的输出取其输入，如所提到的，量化器430的输出包括经整形抖动分量。DAC 440可以生成呈现给其的数字信号的模拟表示，并且因此，可以生成反馈信号。量化器430可以是用于对输入信号进行量化的标量或舍入量化器。量化器430可以位于加法器415与减法器425之间。 [0036] 在图4A所示的实施方案中，在加法器415处的环路滤波器420之后引入经整形抖动(以及通过DAC 450在减法器425和405处去除经整形抖动)，可以避免对用来补偿环路滤波器420处的经整形抖动的额外净空的需要。由于抖动在到达环路滤波器420之前被抵消，所以在环路滤波器420 不需要由于抖动引入而引起的额外净空。另外，抖动DAC 450用于从反馈环中去除抖动。通过这种方式，量化器430可以利用抖动来破坏由于量化器430产生的量化噪声而呈现出的可能的杂散影响，而无需增加用来补偿环路滤波器420处的抖动的额外净空。 [0037] 图4B示出了用于西格玛德尔塔调制器400的实施方案。图4B示出了使用了可以作为积分器的抽取滤波器460的第一级的实施方案。在该实施方案中，减法器425位于量化器430的输出处。如图4C的另一实施方案内所图示的，减法器425可以包含在抽取滤波器内，包括抽取滤波器460 的第一级。 [0038] 图5示出了根据本发明的另一实施方案的西格玛德尔塔调制器500。西格玛德尔塔调制器500可以包括第一减法器505、抖动源510、第一加法器515、环路滤波器、第二减法器525、量化器530、第二加法器535、各种DAC 540-560、整形单元570和延迟单元580，环路滤波器包括第一积分器520a和第二部分520b，第二部分可以包括积分器或谐振器的级联。调制器500可以在第一减法器505的输入处接受输入信号IN并且可以在第二减法器525的输出端子处生成输出信号OUT。第一减法器505可以生成输出信号，该输出信号表示模拟输入信号IN与DAC 540生成的量化器 530的数字输出的模拟表示之差。 [0039] 在图5所示的实施方案中，抖动源510可以生成抖动信号D，其作为数字信号输入到调制器500。而且，在实施方案中，抖动信号D可以初始地为未经整形的，但是后来经过整形，例如，通过整形单元570来进行。整形单元570可以是根据诸如1-z-1的函数对抖动整形的数字处理级滤波器。DAC 550和560分别可以生成未整形抖动信号和经整形抖动信号的模拟表示，它们可以分别输入到第一加法器535和第二加法器515。 [0040] 在图5所示的实施方案中，在加法器515处的环路滤波器520a-b之后引入经整形抖动(以及通过DAC 550在减法器525和加法器53处去除抖动)，可以避免对用于补偿环路滤波器520a-b处的抖动的额外净空的需要。在图5的实施方案中，可以在第一积分器输出的输出处而不是如图4A-4C 的实施方案中那样在其输入处去除经整形抖动。由于延迟积分器520a通过传递函数z-1/(1-z-1)来处理一阶差别抖动-(1–z-1)D，在积分器520a的输出处得到抖动-1分量-z D。该负号是通过减法器505引入的。延迟单元580和 DAC 550可以通过添加抖动抵消分量z-1D来去除该抖动分量。由于抖动在到达环路滤波器520b之前被抵消，所以在环路滤波器520b处不会由于引入抖动而需要额外净空。积分器520a需要额外净空来处理抖动。然而，如下面要描述的，在实际实现时情况可能并非如此。松弛了抖动DAC 550的精度，因为其在第一积分器520a的输出处引入了抖动抵消分量。当参考输入时，通过一阶函数对第一积分器520a的输出处引入的任何误差进行整形。 [0041] 第一减法器505可以具有用于输入信号IN以及调制器500的反馈路径中的DAC 540生成的反馈信号FB的输入。第一减法器505可以生成输出，该输出表示输入信号与量化器的输出信号QOUT之差(例如，ΔIN＝IN –QOUT)。来自第一减法器505的输出信号ΔIN可以输入到环路滤波器，包括520a和520b，它们可以是低通滤波器。由于抖动添加在环路滤波器之后且在量化器输出处去除，所以在环路滤波器520a-b内不会由于抖动的引入而需要额外的净空。抖动可以在积分器520a的输出处去除，因此，积分器520a好像是需要额外净空。然而，在开关电容器实现方式中，积分器 520a和加法器535能够合并到共同的电路中，如下面参考图6和图7描述的，并且仅能够对加法器535的输出进行物理访问。因此，不需要用于积分器520a的额外净空。 [0042] 环路滤波器520a-b的输出可以连同经整形抖动信号的模拟标识一起输入到加法器515。加法器515将经整形抖动信号与环路滤波器的输出相加，该结果可输入到量化器530。量化器530可以生成从减法器525输入到其中的信号的数字表示。因此，量化器530的输出包括经整形抖动分量。 [0043] 第二减法器525可以从量化器530的输出减去经整形抖动信号D(1- z-1)，这有效地抵消了量化器输出中的抖动分量。第二减法器525的输出可以作为输出信号OUT从调制器500输出。 [0044] 在图5所示的实施方案中，反馈路径中的DAC 540从量化器530的输出取其输入，如上提到的，量化器530的输出包括经整形抖动分量。DAC 540可以生成提供给其的数字信号的模拟表示，并且因此可以生成反馈信号。量化器530可以是用于对输入进行执行量化的标量或舍入量化器。量化器530可以位于加法器515与减法器525之间。如上所述，抖动可以在加法器515处引入且在减法器525和加法器535处去除。另外，抖动DAC 550用于从反馈环中去除抖动。通过这种方式，抖动可由量化器530使用来破坏由于量化器530产生的量化噪声而呈现的可能的杂散影响，而不增加用于补偿环路滤波器520a-b处的抖动的额外净空。 [0045] 图6是根据本发明的实施方案的组合积分器/加法器600。例如，可以根据本发明的实施方案来组合图5中的积分器520a和加法器535。将积分器和加法器组合仅得到组合输出，这可以避免对由于抖动的添加而引起的积分器中额外净空的需要。 [0046] 如图6所示，组合积分器/加法器600可以包括积分器620和减法器 630。积分器620可以接受输入x 610。积分器620可以应用z域传递函数，诸如例如z-1/(1-z-1)。减法器630将输入w640与积分器620的输出v组合以生成输出y650。 [0047] 图7是根据本发明的实施方案的组合积分器/加法器的开关电容器实现方式。例如，可以根据本发明的实施方案来组合图5的积分器520a和加法器535，诸如上在图6内示出的。图6的组合积分器/加法器可以利用开关电容器实现方式来实现，诸如图7所示的。利用这种实现方式可以避免当添加抖动时对积分器中额外净空的需要。 [0048] 在图7所示的实施方案中，组合积分器加法器700的开关电容器实现方式可以包括开关730、740、750、760和770以及电容器Cw 705、Cx715 和Cf 725。开关730、740、750、760和770可由标准非重叠时钟驱动，开关730、750和770包括第一组，开关740和760包括第二组。 当第一组接通且第二组关断时，电容器Cx 715可被充电到电压输入x 720。当第一组关断且第二组仍关断时，可以在Cx 715上对输入x 720电压进行采样。当第二组接通且第一组关断时，来自Cx 715的电荷可以传递到Cf 725在先前电荷之上，从而执行积分函数。如果电压施加到w输入，则其出现在按Cw/Cf缩放的输出处。总之，该电路可以实现如下类型的传递函数： [0049] y＝Cx/Cf z-1/(1-z-1)x+Cw/Cf w [0050] 图8示出了根据本发明的实施方案的西格玛德尔塔调制器800。西格玛德尔塔调制器800可以包括加法器815、环路滤波器820、减法器825、量化器830。环路滤波器820可以是低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器。 [0051] 抖动源可以将抖动信号引入输入，输入可以在图示任意点处引入环路滤波器820。输入可直接引入到环路滤波器82-，或者可以通过求和结点引入，如上文的实施方案中阐明的。抖动信号可经由加法器815施加到环路滤波器820的输出。在实施方案中，抖动信号可以被整形，如上文参照图 4和图5所论述。 [0052] 量化器830可以对输入信号量化且将其输出到减法器825。减法器825 可以从量化器830的输出中减去抖动信号。在实施方案中，量化器830可以是标量或舍入量化器。减法器825的输出可以从系统800作为系统的输出信号OUT而输出。此外，反馈环可以将量化器830的输出引入环路滤波器820。 [0053] 如上所述，抖动信号可以在加法器815处引入且在减法器825处去除。通过这种方式，抖动可由量化器830使用以破坏可能的杂散影响，否则杂散影响可能会由于量化器830产生的量化噪声而出现。同时，通过去除环路滤波器820中的抖动，抖动不需要在环路滤波器820中提供额外的净空来适应抖动信号。因此，通过在环路滤波器820之后而在量化器830之前的点处引入抖动信号，此外，通过去除环路滤波器820中的抖动信号，图 8的实施方案对于通常与添加抖动相关联的净空问题提供了直接的、低成本的解决方案。 [0054] 图9示出了代表使用标准抖动和减式抖动的积分器摆动的一系列曲线图。这些曲线图代表了使用本发明的实施方案的示例性结果。如曲线图910 和930所示，能够利用减式抖动技术来显著地减少摆动。曲线图920和940 代表了当不使用减式抖动技术时的摆动。如图所示，当使用减式抖动时，能够显著地减少摆动。 |
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