专利名称：用于采样数据获取系统中的偏移消除的分形排序方案的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及Δ-Σ模数变换器，并更具体地，涉及对于采样数据获取系统中的采样信号质量的增强。
背景技术：
如今，模数(A/D)变换器在消费、工业应用和武器等电子设备中得到广泛应用。典型地，A/D变换器包括用于接收模拟输入信号并输出与该模拟输入信号成正比的数字值的线路。该数字输出值典型地是并行字或串行数字位串的形式。存在许多类型的A/D变换方案，例如电压-频率变换、电荷再分布、Δ调制等等。典型地，这些所选变换方案中的每一种都具有其优点和缺点。
越来越多地使用的一类A/D变换器是利用Δ-Σ调制的A/D变换器，其中，将模拟电压输入到Δ-Σ调制器，并对Δ-Σ调制器的输出进行滤波以去除噪声。Δ-Σ调制器典型地将模拟输入变换为具有与模拟输入成正比的时间上的平均振幅的数字脉冲串。与早期的Δ调制技术相比，Δ-Σ调制一般提供高精度和宽动态范围。Δ-Σ调制通常被称为过采样变换器架构，并典型地不受Δ调制的较早的不期望的一些二阶效应的影响。
Δ-ΣA/D变换器中一般存在两种关键组件模拟调制器和数字滤波器。模拟调制器对模拟输入进行过采样并产生数字输出。然而，利用任何一种A/D变换器，一般都存在设计所固有的多个噪声源。在典型的Δ-Σ调制器中，存在多个输出级噪声源和多个输入级噪声源，输出噪声源通常受量化噪声的支配，而输入噪声源由1/f噪声产生。另外，也可以存在热噪声和作为静态误差的来自DC偏移的确定性误差。低频的量化噪声是相对低的，其最大部分存在于较高频率处。该较高频率部分的噪声可以由数字域低通滤波器滤除。然而，低频DC偏移和1/f噪声不能由低通滤波器滤除，并因此这些效应将典型地随着信号信息而通过该滤波器。
发明内容
根据本发明的教义，提供了一种隔离和消除采样输入信号的偏移电压分量的设备。在示范性实施例中，该设备最好包括前端装置，可操作来接收输入信号；和M阶积分器，可操作地耦接到该前端装置，该积分器包括在该M阶积分器的每一级处的至少一个切换反馈电容器。另外，该示范实施例还可包括控制逻辑，可操作地耦接到该前端装置和该M阶积分器。该控制逻辑最好可操作来命令该M阶积分器根据从分形(fractal)算法导出的输入信号采样序列而对输入信号进行积分，使得一旦完成该输入信号采样序列，就基本消除了该输入信号的偏移电压分量。
在本发明的教义的另一方面，提供一种用于消除采样信号中的偏移分量的系统。在示范实施例中，该系统最好包括积分器，包括至少两个切换反馈电容器；和控制线路，可操作地耦接到该积分器和信号源。该控制线路最好可操作来响应于信号方向的变化而选择性地使能用于积分所采样的信号的切换反馈电容器，使得采样信号的积分方向随着信号方向的改变而改变，并且在采样序列中沿着相同的方向对伴随该采样信号出现的偏移电压进行积分。
在本发明的教义的另一方面，提供了一种用于消除M阶积分器系统中的采样输入信号的偏移分量的方法。在示范实施例中，该方法最好包括以下操作获得在M阶积分器的每一级处的多个输入信号样本，并根据分形序列偏移消除算法而向输入信号样本施加反相因子，使得每一输入信号样本符合Vin+＝(Vin+Voffset)或Vin-＝(Vin-Voffset)。该方法最好还执行以下操作对施加了反相因子的输入信号样本进行积分，使得一旦完成了该采样序列，就消除了采样输入信号的Voffset分量。
在示范实施例中，本发明提供了这样的技术优点，即能够独立于多个处理参数工作，并可在没有附加需求的情况下基本应用到任何采样数据模拟系统。
在示范实施例中，本发明提供了这样的技术优点，即在正常电路操作期间能够实时消除信号偏移。
在示范实施例中，本发明提供了这样的技术优点，即减小采样数据模拟系统中的1/f噪声.
通过为了本公开的目的并结合附图给出的实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚。
通过参考结合附图给出的以下描述，可获取对本实施例及其优点的更完整的理解，其中相同的附图标记表示相同的特征，并且其中图1是根据本发明的教义的用于提供采样输入信号中的Voffset分量的即时(on-the-fly)消除的系统的示范实施例的方框图；图2A和2B图示了描绘根据本发明的教义的可操作来执行采样模拟输入信号中的Voffset分量的即时消除的电路的示范实施例的电路图；图3到8图示了描绘根据本发明的教义的三阶积分器的每一级处的本发明的示范实施例的仿真输出的图表。
尽管本发明容易成为各种变形和替换形式，但是其特定示范实施例已在图中作为示例示出并在这里进行了描述。然而，应理解，这里对特定实施例的描述不意欲将本发明限于所公开的特定形式。相反，本公开的意图是覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有变形、等同、和替换。
具体实施例方式
通过参考图1到5可最好地理解优选实施例及其优点，其中相同的附图标记用于表示相同和对应的部分。
在一个方面，本发明的示范实施例最好可操作来分离输入信号的偏移分量并对该偏移分量执行特殊处理，从而消除该偏移分量，而不干扰输入信号。因此，在本发明的示范实施例中，最好执行两种功能。在第一方面，本发明的示范实施例可操作来隔离在采样输入信号中典型存在的偏移分量。在第二方面，本发明的示范实施例可操作来有效地消除所隔离的偏移分量，而留下期望的采样信号以供装置线路的进一步处理。
首先参考图1，根据本发明的教义示出了图示可操作来对采样输入信号中典型存在的Voffset分量(偏移电压分量)执行即时消除的系统的示范实施例的方框图。在操作中，图1的系统10最好可操作来隔离采样信号的Vin(输入电压)和Voffset分量，并至少在该采样输入信号被传递到用于操纵、解释或其他利用的附加线路之前，消除该Voffset分量。
如图1所示，可操作来执行即时Voffset消除的系统10的示范实施例最好包括输入信号源12。输入信号源12最好提供用于采样的模拟信号。输入信号源12可以是合并系统10的电子装置的单独组件、与最好包括在系统10中的其他组件分离和不同的信号源、或者可以以其他方式实现。另外，从输入信号源产生的信号可以是差分信号、连续信号、以及其他形式或种类的信号的形式。
输入信号源12最好耦接到前端装置14，并可以耦接到系统10的其他组件。前端装置14最好将输入信号源12耦接到M阶积分器16。M阶积分器16也可耦接到系统10中包括的其他装置。前端装置14可以采取多种形式。在优选实施例中，前端装置14被适配并配置为有效耦接到输入信号源14和M阶积分器16。此外，在优选实施例中，前端装置14可被配置为符合从输入信号源12和M阶积分器16可用的连接性选项。下面将更详细地描述前端装置14的示范实施例。
控制逻辑18最好也被包括在系统10中，并最好耦接到前端装置14和M阶积分器16。控制逻辑18也可被耦接到系统10中的其他装置。控制逻辑18最好可操作来控制前端装置14和M阶积分器16，使得Voffset分量可以从该采样输入信号中解耦，并被有效消除。如下面将更详细地描述，控制逻辑18最好跟踪并响应来自输入信号源12的信号，并据此操作前端装置14和M阶积分器16的各方面。
在示范实施例中，采样数据模拟块中的输入信号的Voffset分量的隔离最好由以下参考图2A和2B更详细讨论的特定模拟电路设计执行。在操作中，图2A和2B中图示的模拟电路设计的示范实施例最好得到Vin+＝(Vin+Voffset)或Vin-＝-(-Vin-+Voffset)＝(Vin-Voffset)的采样信号。在一个方面，迫使采样信号如所述那样的一个目的是创建通过在每一采样周期中把这两个量Vin+和Vin-加在一起(或相减)而从采样信号中去耦该Voffset分量的可能性。
现在参考图2A和2B，示出了可操作来使得能够对采样输入信号的Voffset分量进行去耦的电路拓扑结构的示范实施例。然而，应注意其他可操作来从采样输入信号中去耦Voffset分量的电路拓扑结构或实施例是可能的。利用最好包括在图2A和2B所示的电路20中的开关电容线路，可观察到固有电荷注入效应，然而，典型地仅需要考虑差分效应，并且如果这些效应是确定性的和可再现的，则它们可被看作经受消除的Voffset分量。如图2A和2B所示，电路20可被描述为单级差分积分器，然而，示范算法平均电路20不需要差分信号生效。
如图1、2A和2B所实现的，差分输入信号(Vin＝V(IP)-V(IM))可以在相位P1中充电。例如，在相位P1中，开关电容器22和24可分别耦接到V(IP)和V(IM)，并受到电路拓扑结构20中包括的共模电压源Vcm的控制。这样，在相位P1中，开关电容器22和24可分别被提供基本与(V(IP)-Vcm)和(V(IM)-Vcm)相等的电荷。在相位P1位于开关电容器22和24的电荷(因为VCM不影响信号的传送，所以所述电荷分别可被简化为V(IP)和V(IM))然后在相位P2中可被传递到积分器26。在该配置中，开关电容器22和24以及开关28、30、32、34、36、38、40、42和44可以统称为前端拓扑结构46。示范实施例中的图2A的电路前端拓扑结构46仅是积分器前端的一种可能实现。这样，根据本发明的教义，前端46与实际实现无关，即一般任何前端开关拓扑结构都是兼容的。在所示示范实施例中，不重叠的相位最好用于产生更平滑的迁移，然而，应注意可以采用其他相位定时方案，而不脱离本发明的教义的精神和范围。
最好与图2B的积分器26耦接的是可操作来响应于输入信号的方向改变而切换反馈电容48和50的控制逻辑或线路70。输入信号方向的这一改变可称为“反相”。当发生反相时，SWAP信号52最好使得最好包括在积分器26中的切换反馈电容器48和50能够被交换或触发，从而改变对采样信号积分的方向，同时保持获得Voffset的方向。通过仅交换采样信号的积分方向并保持获得Voffset的方向，可从采样输入信号中去耦该偏移。信号DIR 54是为了获得采样输出信号的Vin+或Vin-而最好对信号进行采样的“方向”。采样方向主要依赖于系统上使用的消除算法。图2A图示的时序图56描绘了根据合并本发明的教义的消除算法的示范实施例的DIR信号54和SWAP信号52的定时。根据这里所公开的教义可实现其他配置。
如图2B所示，积分器26最好包括切换反馈电容器48和50。切换反馈电容器48最好耦接到第一端处的运算放大器60的输入端58和第二端处的运算放大器输出端62。开关64、66、68、70、72、74和76至少最好与控制逻辑78合作，以根据所实现的Voffset消除算法而对切换反馈电容器48进行充电、使能、禁止、放电。类似地，切换反馈电容器50最好耦接到第一端处的运算放大器60的输入端80和第二端处的运算放大器输出端82。开关84、86、88、90、92、94和96至少最好与控制逻辑78合作，以根据所实现的Voffset消除算法而对切换反馈电容器50进行充电、放电、使能、禁止、或以其他方式进行操作。如图2B所描述，最好包括在积分器26中的开关可涉及相关性和/或合作的某些级别。积分器26的输出端98和100可耦接到M阶积分器系统(其中M＞1)中的下一积分器、以及包括电路20的电子设备的其他组件或装置。
图2B所示的积分器26的重要方面是放大器反馈，其中可交换或切换被配置来从采样信号中去耦Voffset的电容。图示的拓扑结构一般不添加太多的开关，并且开关的控制信号的产生和管理简单。图示拓扑结构中可能观察到的缺点在于当交换所切换的反馈电容器48和50时从开关64、66、84和86产生的电荷注入效应。然而，典型地，在计算任何电荷注入效应的值时，仅需要考虑放大器的输入端的开关。此外，该电荷注入效应已知存在于切换电容电路中，并可通过开关拓扑结构的正确选择而被最小化。
在具有采样模拟系统中的Vin+和Vin-两者的能力之后，需要有效消除Voffset的算法。可通过定义ε+＝1和ε-＝-1并重写Vin+/-＝Vin+ε+/-*Voffset而开始算法的定义。值ε+/-然后可被定义为用于对应采样的反相因子。在示范实施例中，Voffset消除算法将最好在输入信号采样期间在+1和-1(反相)之间切换该反相因子。
在一阶积分器系统中，可实现简单的Voffset消除算法。在这样的算法中，反相因子最好在每一信号采样中被触发或交换。如果样本数目N为偶数，则积分输出数据将基本等于N*Vin。
然而，这样的简单算法可能导致缺点。例如，为了消除Voffset，样本数目必须一般为偶数。另外，该算法一般仅在非常有限的一阶积分器中工作。对多个一阶积分器的进一步排序不能得出有利结果，因为这样的拓扑结构倾向于产生等于N(N+1)/2*Vin+(N/2)*Voffset的二阶积分数据的输出，可见不能有效消除Voffset。
根据本发明的教义，提供了基于定义每一样本的反相因子的分形序列的算法。在一个方面，示例Voffset消除算法的分形本性通过提出可适于该系统中的每阶积分的采样和反相序列而解决了Chopper算法的主要限制之一。这些序列的性质一般包括级联(concatenation)，即我们可级联序列并仍然消除Voffset而与符号无关，即可以以反序顺序获得相同结果，这增加了复杂性，并且Voffset将不在每次采样中被消除，而是在采样序列的末尾被消除。
序列的最小尺寸(即样本的最小数目)可数学示出为由系统的阶数决定，并等于2M(其中M表示模拟系统的阶数)。还可示出，除了序列的符号之外，最小序列存在基本唯一性。在示范实施例中，最小序列可定义为ϵ[k,M]:=(-1)Σj=0M-1Mod[IntegerPart[2-jk],2]]]>公式1其中ε[k，M]是M阶系统的第k样本反相因子。利用公式1所定义的反相因子的序列，可在第2M样本的末尾消除Voffset，假设表示Voffset对Vout的影响的函数具有基本等于0的值。
尽管公式1似乎很复杂，但是该序列相当简单。例如，在第一阶系统中，序列为(+1)并然后为(-1)，可表示为(+-)。在一些方面，第一阶系统基本近似Chopper算法，并且该分形序列可被定义为Chopper算法的概括。根据上述导出，从该算法获得的分形规则可写为序列(M+1)＝(序列(M)反相序列(M)) 公式2利用公式2，在2阶系统例子中，可应用一阶系统的分形规则，而得到((+-)(-+))，其中(+-)是上述一阶序列。在3阶系统例子中，以上定义的规则的应用得出((+--+)(-++-))的分形序列。利用这些序列的分形本性，可对于每一阶积分(这意味着对于每一放大器)实现本发明。在该配置中，如果我们着眼于非常精确的系统或前端增益无关紧要的系统，则来自系统中每一积分器的Voffset可被消除。这样，当系统具有多级、每一级上的低增益倾向于引起较大输入Voffset时，本发明的教义提供了实质优点。如上所述，本发明的拓扑结构可在每一级添加差分电荷注入，但是利用正确的切换线路选择，可最小化这样的电荷注入的影响。
本发明教导的分形排序中包括很多优点。对于M阶系统，在该链路(chain)的每一阶的输出端，基本消除了Voffset。本发明的分形排序的重复性也可充当自动调零方案，并对1/f噪声降低有贡献。此外，可在相同的反相因子中具有序列期望的任意数目样本。例如，对于在每一级具有三个样本的二阶序列，可使用序列((+++)(---)(---)(+++))来消除Voffset。在一个方面，这样的排序可由于较不频繁的反相而降低二阶电荷注入效应，然而，通过没有反相地实现太多样本，可影响1/f降低的损失。对于不得不为2M的倍数的样本数目存在一些微小限制，但这在采样数据模拟系统中是非常常见的情况。也可识别这些序列的导数，以使得序列适于大于2M的任意偶数的样本。通过实现该最小序列可在该链路的每一输出端消除Voffset，但是可能需要2M个样本的倍数。在这样的情况下，提出了这样的考虑，导数前一级的最小序列将在输出端、但不必在该链路的每一输出端消除Voffset，例如二阶序列((+-+)(---))将不在第一级的输出端、而在第二级的输出端消除Voffset。
本发明可适于在连续系统中实现的操作，但是该系统具有替换线路。尽管需要替换电路拓扑结构，但是上述序列和数学理论可在连续时间系统中应用，并且可以导出可操作来有效消除Voffset的连续分形函数。在连续时间系统(例如连续Δ-Σ调制器)中，去除了关于有效消除Voffset所需样本数目的限制。连续时间系统中的序列反相因子可实现为可从图2A的控制逻辑78中所示的XOR门前面的计数器导出的数字比特流。这样的实现可以直接实现，并基本上是节省成本的。
现在参考图3-8，根据本发明的教义示出了示出仿真3阶系统的每一级的输出的图表。图3、4和5中的y轴表示在每一级的输出端积分的Voffset量。x轴表示样本数目。与图3中的第一级关联的轻微的不连续(近似为Voffset的两倍)可归因于反相拓扑结构，并一般不打扰偏移消除。图6、7和8的y轴和x轴分别表示Vsignal和样本数目。
图3、4和5图示了在通过具有由同一反相因子定义的3阶序列和每个分组十(10)个样本的数学分析仿真的调制器环路中、分别来自3阶积分器的第一、第二和第三级的Voffset的曲线图。类似地，图6、7和8图示了分别来自3阶积分器的第一、第二和第三级的Vsignal的曲线图。分别比较图3、4和5以及图6、7和8，可看出源于本发明的教义的Vsignal的积分和Voffset的对应分解或消除。
总之，本发明提供了Chopper算法的许多优点，同时创建了在包括连续时间系统的任意阶的系统中采用这里的教义的能力。在示范实施例中，本发明的实现几乎不伴随组件尺寸增加，在一个实现中包括单一结构、一个计数器、一些开关和门。另外，本发明使能“即时”偏移消除，使用户摆脱了执行耗时的偏移校准的需求。这样，可以向需要偏移校准的系统添加价值，特别是校准需要花费大量时间的系统。进而，本发明的教义提供了一种灵活的算法，减小了的1/f噪声，并且除了开关电容系统固有的那些公知电荷注入效应之外，具有小的2阶效应。
所以，本发明很好地适于执行目的并达到上述目标和优点、以及其固有的其他方面。尽管已通过参考本发明的示范实施例而描绘、描述和限定了本发明，但是这种参考不暗指对本发明的限制，并且不能推出这样的限制。本发明可以能够是本领域技术人员作出的具有该公开的好处的、形式和功能的相当大的修改、替换、和等同。所描绘和描述的本发明的实施例仅是示例，并不穷举本发明的范围。结果，本发明意欲由所附权利要求的精神和范围限定，其对所有方面的等同具有全面认识。
权利要求
1.一种用于隔离和消除采样输入信号中的偏移电压分量的设备，包括前端装置，可操作来接收输入信号；M阶积分器，可操作地耦接到该前端装置，该积分器包括在该M阶积分器的每一级处的至少一个切换反馈电容器；和控制逻辑，可操作地耦接到该前端装置和该M阶积分器，该控制逻辑可操作来命令该M阶积分器根据从分形算法导出的输入信号采样序列而对输入信号进行积分，使得一旦完成该输入信号采样序列，就基本消除了该输入信号的偏移电压分量。
2.根据权利要求1的设备，还包括该控制逻辑，可操作来在该M阶积分器中实现与序列(M+1)＝(序列(M)反相序列(M))的反相序列基本近似的采样序列，其中(M＝1)的反相序列是(+1-1)。
3.根据权利要求1的设备，还包括该控制逻辑，可操作来在该M阶积分器中使得采样序列包括至少2M个样本，其中M是积分器的阶数。
4.根据权利要求1的设备，还包括具有运算放大器的M阶积分器的每一积分器级，该运算放大器包括耦接在其第一输入端和输出端之间的第一切换反馈电容器以及耦接在其第二输入端和输出端之间的第二切换反馈电容器。
5.根据权利要求1的设备，还包括M阶差分积分器，可操作地耦接到前端；和差分输入信号源，可操作地耦接到前端，并可操作来向M阶差分积分器提供差分输入信号用于采样。
6.根据权利要求1的设备，还包括该控制逻辑，可操作来响应于输入信号的方向改变而选择性地交换一个或多个切换反馈电容器。
7.根据权利要求1的设备，还包括Δ-Σ调制器，可操作地耦接到M阶积分器，该Δ-Σ调制器可操作来接收基本连续的输入信号。
8.一种用于消除采样信号中的偏移分量的系统，包括积分器，包括至少两个切换反馈电容器；和控制线路，可操作地耦接到该积分器和提供要在该积分器中采样的信号的信号源，该控制线路可操作来响应于信号方向的变化而选择性地使能用于积分所采样的信号的切换反馈电容器，使得采样信号的积分方向随着信号方向的改变而改变，并且在采样序列中沿着相同的方向对伴随该采样信号出现的偏移电压进行积分。
9.根据权利要求8的系统，还包括该控制线路，可操作来实现与序列(M+1)＝(序列(M)反相序列(M))基本相同的输入信号采样反相序列。
10.根据权利要求9的系统，其中(M＝1)的反相序列是(+1-1)。
11.根据权利要求10的系统，还包括该系统，可操作来根据至少2M个样本的最小序列对来自信号源的信号进行采样，其中M是该系统的阶数。
12.根据权利要求8的系统，还包括M阶积分器，其中M＞1。
13.根据权利要求12的系统，还包括M阶积分器，其中M＝3。
14.根据权利要求8的系统，还包括前端装置，可操作地将该积分器耦接到该信号源。
15.根据权利要求14的系统，还包括该前端装置，含有Δ-Σ调制器。
16.根据权利要求8的系统，还包括该积分器，包括至少一个运算放大器、可操作地耦接在每一运算放大器的第一输入端和运算放大器输出端之间的切换反馈电容器、和可操作地耦接在每一运算放大器的第二输入端和运算放大器输出端之间的切换反馈电容器。
17.一种用于消除M阶积分器系统中的采样输入信号的偏移分量的方法，包括获得在M阶积分器的每一级处的多个输入信号样本；根据分形序列偏移消除算法而向输入信号样本施加反相因子，使得每一输入信号样本符合Vin+＝(Vin+Voffset)或Vin-＝(Vin-Voffset)；和对施加了反相因子的输入信号样本进行积分，使得一旦完成了该采样序列，就消除了采样输入信号的Voffset分量。
18.根据权利要求17的方法，还包括获得至少2M个输入信号样本，其中M是系统的阶数。
19.根据权利要求17的方法，还包括基于以下公式产生可施加到该采样输入信号的反相因子ϵ[k,M]:=(-1)Σj=0M-1Mod[IntegerPart[2-jk],2]]]>其中ε[k，M]是M阶系统的第k样本反相因子。
20.根据权利要求19的方法，还包括基本根据序列(M+1)＝(序列(M)反相序列(M))实现反相因子的分形序列规则，其中(M＝1)的反相序列是(+1-1)。
21.根据权利要求17的方法，还包括向基本连续输入信号施加该分形序列偏移消除算法的反相因子。
全文摘要
本发明针对在采样数据模拟系统的输入端典型经历的偏移电压分量的隔离和消除。在示范实施例中，可在采样线路的正常操作期间执行偏移隔离和消除。在示范实施例中，本发明组合前端切换拓扑结构和一个或多个差分积分器级以及在所述差分积分器级中实现的逻辑算法。在操作中，该线路最好执行每一级的多个样本，根据该算法向所述样本施加反相因子，并对样本积分，以在基本不影响采样输入的情况下，实现偏移电压的消除。
文档编号H03M3/00GK1860687SQ200580000614
公开日2006年11月8日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年6月23日
发明者文森特·奎奎姆普瓦, 菲利普·德沃尔 申请人:密克罗奇普技术公司