专利名称：控制调制器中积分器级状态变量的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于在过驱动条件期间，动态增加调制器中积分器级积分电容量损耗，以便有效地控制所述积分器级的状态变量的装置和方法。
背景技术：
高阶调制器，例如三阶或更高阶的调制器，比如总量增量调制器、脉宽调制器等需要某种机制，当调制器过驱动时，复位或控制调制器，防止不稳定条件，以免在输出信号中产生不利的瞬变。
控制高阶调制器避免过驱动的一种常规设备，当调制器进入不稳定条件(如过驱动或过载)时，依赖将状态变量(如指明调制器当前状态的任何量，比如在每个积分器级的输出电压，或者积分或开关电容器上的电荷)复位至零或稳定点。典型情况下，这种设备在积分器级的输入处采用开关电容器网络，积分器级包括运算放大器(opamp)。典型情况下，积分电容器连接在op amp的输出和输入之间的反馈回路中。典型情况下，积分电容器的反馈通路还包括复位开关。复位开关通常连接到检测器件，它监视着不稳定条件的出现。当检测到不稳定条件时，复位开关闭合，将积分器级的积分电容器复位为零。这就把状态变量复位至零状态，如稳定状态或条件。参见例如5,021,244号美国专利，在此引用作为参考。不过，使积分器级的状态变量复位为零会导致输出信号中的很大瞬变。
使高阶调制器比如总量增量调制器的状态变量复位的另一种常规设备和方法，公开在6,061,009号美国专利(’009专利)中，在此引用作为参考。’009专利通过对积分电容器反馈回路中的复位开关串联复位电路，克服了将积分器级的积分电容器复位为零时所关联的问题。该复位电路在积分器的复位/反馈回路中引入了“损耗”电路(阻抗)，例如第二电容器。所述’009专利中公开的设备不是以闭合复位开关使跨越积分电容器的连接瞬间短路，而是当检测到过驱动条件时，对复位反馈回路中的积分电容并联地“加上”某个阻抗。加上的阻抗，如电容器，从积分电容接收漏电，调整积分器级的状态变量，以容许调制器过驱动时，积分器级作为“损耗积分器”运行。当过驱动条件消失之后，复位开关断开并且从反馈回路中去掉损耗电路。然而，在’009专利中公开的装置占用的芯片空间大，这是因为必须采用两个分别的电容器一个用于积分电容器，另一个用于“损耗电路”。当所述调制器未过驱动时，损耗电路占用的电容和区域就是浪费。
发明内容
因此本发明的目的是提供改进的装置和方法，控制调制器中积分器级的状态变量。
本发明进一步的目的是使提供的这种装置和方法占用空间更小。
本发明进一步的目的是使提供的这种装置和方法不需增加附加电容，而在过驱动条件期间，动态增加调制器中积分器级的损耗。
本发明进一步的目的是使提供的这种装置在加入电容与积分器级的积分电容器之间无需复位开关。
本发明起因于认识到不是当所述调制器过驱动时，利用复位开关增加所述积分器级损耗向调制器中积分器级添加电容，而是在过驱动期间，使得积分电容自身的一部分能够反复地从积分电容的另一部分接收电荷，然后反复地向放电通路释放这些电荷，以动态地增加积分器级的损耗并控制调制器中的状态变量，这样也能够实现改进的装置和方法，控制调制器中积分器级的状态变量。
不过在其它实施例中，本发明不必实现所有这些目标，而且其权利要求书不应当限于能够实现这些目标的结构或方法。
本发明的特征在于一种装置，用于控制调制器中积分器级的状态变量，包括检测器电路，当调制器过驱动时用于产生过载信号；控制电路，响应过载信号，在过驱动条件期间用于产生切换控制信号；以及积分电容电路，具有不切换部分和切换部分，当调制器过驱动时，响应切换控制信号，在不切换部分和放电通路之间反复地连接切换部分以接收和释放电荷，从而增加积分器的损耗并控制调制器中积分器级的状态变量。
在一个实施例中，积分电容电路可以包括切换电路，用于将切换部分选择地连接到不切换部分和放电通路。切换电路可以包括多个开关器件，分别将切换部分连接不切换部分，将切换部分连接放电通路。检测器电路可以包括比较器电路，用于比较预定阈值电压电平和复合电压信号，以产生过载信号。本装置可以包括时钟电路，提供第一和第二相位信号。控制电路可以包括门逻辑，用于响应过载信号和第一、第二相位信号，产生切换控制信号。当调制器过驱动时，切换控制信号可以对应于第一和第二相位信号，反复地将切换部分连接到不切换部分和放电通路。当调制器不过驱动时，切换控制信号可以连续地将切换部分连接到不切换部分。积分电容的不切换部分可以包括电容器。积分电容电路的切换部分可以包括电容器。所述积分电容可以包括多个切换部分和相关联的开关，与不切换部分连接，当调制器过驱动时用于进一步增加积分器级的损耗。所述积分器级可以包括运算放大器电路，用于从采样电容器向积分电容传输电荷。所述积分器级可以包括切换电容器电路，响应输入电压信号和时钟信号，在一个相位中用采样电容器对输入电压进行采样，而在另一个相位中将电荷从采样电容器传输到积分电容。
本发明的特征在于一种装置，用于控制调制器中积分器级的状态变量，包括检测器电路，当调制器过驱动时用于产生过载信号；积分电容，与调制器中的积分器级相关联并且具有不切换部分和切换部分；切换电路，将切换部分选择地连接到不切换部分和放电通路；以及控制电路，响应过载信号和第一、第二相位信号，当未检测到过驱动时，将切换部分与不切换部分连接，当检测到过驱动时，在一个相位中将切换部分专门用于反复地连接到不切换部分，使得电荷从不切换部分释放到切换部分，而在另一个相位中将切换部分反复地连接到放电通路，使得电荷从切换部分释放到放电通路，使所述积分器级能够作为损耗积分器运行，并控制调制器中积分器级的状态变量。
本发明的特征也在于一种方法，用于控制调制器中积分器级的状态变量，包括以下步骤检测调制器何时过驱动，在过驱动条件期间产生切换控制信号，以及在过驱动条件期间以切换控制信号启动积分电容电路，在一个相位期间反复地使切换部分从积分电容电路的不切换部分断开以积累电荷，而在另一个相位期间将切换部分连接到不切换部分，从不切换部分释放电荷，从而增加积分器级的损耗并控制调制器中积分器级的状态变量。
参考以下优选实施例的说明和附图，本领域的技术人员将设想出本发明的其它目的、特征和优点，其中图1是原理框图，其中典型的现有技术高阶调制器采用典型的现有技术装置，控制调制器中积分器级状态变量；图2是原理框图，进一步详细地显示了图1所示现有技术装置如何控制调制器中积分器级状态变量；图3是本发明的控制调制器中积分器级状态变量装置的一个实施例的原理框图；图4是图3所示控制调制器中积分器级状态变量装置的时序图；图5是原理框图，进一步详细地显示了图2所示控制电路的结构；图6是原理框图，显示了本发明的控制调制器中积分器级状态变量方法的实例。
具体实施例方式
除了以下公开的优选实施例或实施例以外，本发明还能够有其他实施例以及以多种方式实践或实现。因此应当理解，本发明不限于应用于以下说明中阐述的或附图中展示的结构细节和组件布局。如果本文仅仅介绍了一个实施例，那么本权利要求书不限于该实施例。此外，本权利要求书也不应当限制性地阅读，除非有清楚的和令人信服的证据表明某种排除、限制或放弃。
图1中常规调制器10是典型的高阶调制器。在这个实例中，调制器10是三阶总量增量调制器，并包括三个积分器级12、14和16。积分器级12的输出是积分器级14的输入，积分器级14的输出是积分器级16的输入。每个积分器级12-16处的输出电压都是状态变量。每个积分器级12-16的输出分别经由放大器17(a0)、19(a1)和21(a2)都连接到求和节点18。求和节点18将每个积分器级输出的相加，并在线20上产生复合电压信号(Vx)。线20上的复合电压信号(Vx)输入到比较器22，典型情况下，它的时钟信号超过量化所述信号的采样率。高阶调制器比如调制器10的运算为业内公知，如总量增量调制器或脉宽调制器。参见例如“A Use of Double Integration in Sigma-DeltaModulation，”by James C.Candy，IEEE Trans.Commun.Vol.COM-33，pp.249-258，March 1985、5,012,244号美国专利，在前引用的’009专利以及“A Review and Comparison of Pulse-WidthModulation(PWM)Methods for Analog and Digital Input SwitchingPower Amplifiers，”102ndAES Convention，Munich，Germany，1997，preprint 4446，全部在此引用作为参考。
当检测到过驱动条件时，用于增加调制器10中积分器级14耗损的切换电路和辅助电容器电路24依靠向积分器级14添加附加的电容，然后从添加的电容释放电荷，以增加积分器级12的耗损和控制调制器10中的状态变量。
图2的切换电路和辅助电容器电路24——其中相同的部分给予相同的幅图标记——包括积分电容器26，当积分器级12正常运行时被使用，并没有“耗损”。当调制器10过驱动时，切换电路和辅助电容器电路24通过闭合复位开关28，在反馈回路40中添加连有电容器38以及开关器件30、32、34、36的附加电路37。这就使积分器级12运行为耗损积分器级。参见在前引用的’009专利。不过，添加连有电容器38的电路37使用了宝贵的芯片空间以容纳附加电容器38。当过驱动条件不复存在时，复位开关28开路并且积分器级12仅仅与积分电容器26一起运行。在这种条件下，电容器38是多余的，而且电容器38占用的空间也是浪费。
相反，图3中本发明的控制调制器10中积分器级12的状态变量的装置50——其中相同的部分给予相同的幅图标记——包括过载检测器电路54，它响应线56上的组合电压信号VX和线58上的预定阈值电压电平VT。过载检测器电路54包括比较器60，它对比线56上的组合电压信号VX和线58上的预定阈值电压电平VT，并且当线56上的组合电压信号VX超过了线58上的预定阈值电压电平VT时(即当调制器10过驱动时)，在线62上产生过载信号。
控制电路64响应线62上的过载信号，以及通过时钟电路39(也在图5中详细显示)分别在线41和43上提供的第一相位信号φ1和第二相位信号φ2，分别在线66和68上产生切换控制信号φ1A和φ2A。积分电容电路69响应线66和68上的控制信号φ1A和φ2A，并且包括不切换部分70和切换部分72。切换电路71包括开关器件74、76、78和80，它们交替地和反复地在一种模式下将切换部分72连接到不切换部分70，而在另一种模式下连接到放电通路82和84，使积分器级12运行为耗损积分器(以下将讨论)。
在正常运算期间，线66和68上的控制信号φ1A和φ2A使开关器件74和76能够闭合，使开关器件78和80能够开路，将不切换部分70连接到切换部分72，并运行为所定义的积分电容。积分器级12没有“耗损”地正常运行。
当调制器过驱动时，线66和68上的控制信号φ1A和φ2A起动切换电路71，临时借用积分电容电路69的切换部分72，通过开路和闭合开关器件74、76、78和80反复地从不切换部分接收和释放电荷。由切换部分72接收的电荷通过开路和闭合开关器件78和80反复地向放电通路82和84释放(以下将进一步详细讨论)。其结果是当调制器10过驱动时，动态地增加积分器级12的耗损，而且积分器级12的状态变量受到控制。除了需要原始定义的积分电容，不再需要任何电容。
因此，本发明的装置50依靠将单积分电容电路69的一部分(例如切换部分72)专门用于反复地从单积分电容电路69的另一部分(例如不切换部分70)接收和释放电荷，在过驱动条件期间动态地增加积分器级12的耗损。因为没有必要添加附加的单独电容，如在现有技术中所见，本发明的装置50占用的芯片空间较少并且不再需要添加的电容器与积分电容器之间的复位开关。
虽然如图3中所示，装置50用于增加调制器10中积分器级12的耗损，但是这不是本发明的必然限制，因为装置50可以用于任何类型的高阶调制器的任何积分器级中，比如脉宽调制器的功率放大器、总量增量调制器的功率放大器或本领域技术人员熟知的任何高阶调制器。
在运行中，线66和68上的控制信号φ1A和φ2A分别起动开关器件78-80和74-76，以使得在一个相位中，线66上的控制信号φ1A闭合开关器件78和80，线68上的控制信号φ2A开路开关器件74和76。在这种状态下，来自切换部分72的电荷将经由放电通路82和84释放。在下一个相位中，线66上的控制信号φ1A将开路开关器件78和80，同时线68上的控制信号φ2A将闭合开关器件74和76。这就使来自不切换部分70的电荷经由线80释放，这些电荷是由不切换部分70吸收和存储的。该过程反复了许多个相位(以下讨论)直到过载检测器电路54所检测的过驱动条件消失。
典型情况下，本发明的装置50中的积分器级12包括开关电容器网络45，它响应线57上的输入信号(Vin)以及由时钟电路39产生的线59上的第一相位信号φ1和线61上的第二相位信号φ2。电容器网络45包括开关电容器37和多个开关器件47、49、51和53。一般来说，开关器件47和53在一个时钟相位期间(例如相位φ1)是闭合的，以利用采样电容器37对输入信号电压(Vin)进行采样。而在不同的时钟相位期间，例如相位φ2，开关器件49和51是闭合的，将采样电容器37中存储的电荷传输到积分电容电路69。业内公知开关电容器网络的运行。参见例如在前引用的’009专利。
以下参考图4所示的时序图，介绍本发明的装置50运行实例的进一步细节。当组合电压(VX)信号90在93处超过了预定阈值电压(VT)电平92时，过载信号94被确认为逻辑高，如瞬变96所示。过载信号94上升至逻辑高98，直到调制器10不再过驱动，例如当组合电压(VX)信号90在100处下降至低于预定阈值电压(VT)电平92时。在此点处，过载信号94从逻辑高瞬变102至逻辑低。当调制器10未过驱动，例如在点104和106处，组合电压(VX)信号90低于预定阈值电压(VT)电平92时，过载信号94处于常数值108和110(如逻辑低)。在这种状态下，控制电路64产生的控制信号φ1A112为不变的逻辑低，如114和116处指明，产生的控制信号φ2A118为不变的逻辑高，如120和122处指明。这就使得开关器件78和80保持开路，而开关器件74和76保持闭合。这也将不切换部分70连接到切换部分72，并且积分器级12正常运行，没有“耗损”。
过载信号94经由(即经过)相位信号φ1126，形成控制信号φ1A112的脉冲序列124。过载信号94经由(即经过)相位信号φ2134，形成控制信号φ2A118的脉冲序列132。典型情况下，相位信号φ1126和相位信号φ2134，以及由此控制信号φ1A112和控制信号φ2A118相位相差180°。控制信号φ1A112的脉冲序列124使得切换电路71能够交替地和反复地开路和闭合开关器件78和80，控制信号φ2A118的脉冲序列132使得切换电路71能够交替地和反复地开路和闭合开关器件74和76。因此，当图3的调制器10过驱动时，切换部分72将反复地在一个相位里经由放电通路82和84放电，而在另一个相位里，将从不切换部分70充电。如以上讨论，其结果是积分电容电路69有效地增加了耗损并控制了状态变量，例如调制器10中积分器级12的线56上的组合电压VX，而不需要任何附加电容——它在正常运行条件下将空闲。仅仅需要单个定义的积分电容69，尽管是以提供其切换部分作为代价，以便交替地从不切换部分汲取和释放电荷。
如以上讨论，虽然积分电容电路69仅仅包括一个切换部分72与不切换部分70相连，但是这不是本发明的必然限制，因为积分电容电路69可以包括多个切换部分130以及多个关联的开关器件132和134，与切换部分72相连，向积分器级12提供更多的耗损。但是请注意，全部所需的仅仅是积分电容自身所需要的电容量，不需要额外电容以引入耗损。实现这一点是通过使切换部分仅仅在过驱动条件期间才释放电荷，而在正常条件下，则运行为必需积分电容的一部分。
典型情况下，图5的控制电路36——其中相同的部分给予相同的标号——包括逻辑门，比如与门168及或门188，它们响应线62上的过载信号以及在线41和43上的第一相位信号φ1和第二相位信号φ2，分别在线66和68上产生控制信号φ1A和φ2A。与门168响应线41上的相位信号φ1和线62上的过载信号，在线66上产生控制信号φ1A。或门188响应线43上的相位信号φ2和线62上被反相器190反相的过载信号，在线68上产生控制信号φ2A。以下逻辑表描述了控制电路64的与门168及或门188响应线62上的过载信号以及所述第一相位信号φ1和第二相位信号φ2的运算
本发明的控制调制器中积分器级状态变量的图6中方法200包括在调制器中检测过驱动条件——步骤202。响应过驱动条件，产生切换控制信号——步骤204。切换控制信号启动积分电容电路的切换部分释放电荷——步骤204。然后将积分电容电路的切换部分切换到积分电容电路的不切换部分，从不切换部分接收电荷——步骤206。对过驱动条件是否仍然存在进行判断——步骤208。如果过驱动条件仍然存在，重复步骤204和206以继续积分器级12的耗损并控制调制器的状态变量，否则把积分电容的切换部分连接到积分电容的不切换部分——步骤210，使积分器没有任何“耗损”地正常运行。
虽然本发明的若干特定特征在某些图中显示了，而在其它图中未显示，这仅仅是为了方便，因为按照本发明，每种特征都可以与任何或所有的其它特征组合。本文使用的词“包括”、“包含”、“具有”以及“带有”应当广义地和综合地理解，而且它们不限于任何实际互连。不仅如此，在本申请中公开的任何实施例都不应当视为仅有的可能实施例。
此外，在本专利的专利申请审查期间所提出的任何修改都不表示放弃在所提交的申请中提出的任何权利要求要素不可能合理地期望本领域技术人员起草会不折不扣地包含所有可能等效内容的权利要求，许多等效内容在修改之时将是不可预料的，而且超出了对将要放弃的权利(如果有的话)的善意解释，为所述修改提供基础的基本原理可能与许多等效内容只是略有关联，并且/或者无法期望本申请对所修改的权利要求要素描述出某些无足轻重替代项的其他原因也有不少。
本领域的技术人员将发现其他实施例，并且它们在以下权利要求书之内。
权利要求
1.一种控制调制器中积分器级状态变量的装置，包括检测器电路，当所述调制器过驱动时产生过载信号；控制电路，响应所述过载信号，在所述过驱动条件期间产生切换控制信号；以及积分电容电路，具有不切换部分和切换部分，当所述调制器过驱动时，响应所述切换控制信号，在所述不切换部分和放电通路之间反复地连接所述切换部分以接收和释放电荷，从而增加所述积分器的损耗并控制所述调制器中所述积分器级的状态变量。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述积分电容电路包括切换电路，将所述切换部分反复地连接到所述不切换部分和所述放电通路。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于，所述切换电路包括多个开关器件，将所述切换部分连接到所述不切换部分，以及将所述切换部分连接到所述放电通路。
4.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述检测器电路包括比较器电路，用于对比预定阈值电压电平与复合电压信号，以产生所述过载信号。
5.根据权利要求1的装置，进一步包括时钟电路，用于提供第一和第二相位信号。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于，所述控制电路包括门逻辑，用于响应所述过载信号以及所述第一和第二相位信号，产生所述切换控制信号。
7.根据权利要求5的装置，其特征在于，当所述调制器过驱动时，所述切换控制信号对应于所述第一和第二相位信号，以将所述切换部分反复地连接到所述不切换部分和所述放电通路。
8.根据权利要求1的装置，其特征在于，当所述调制器不过驱动时，所述切换控制信号持续地将所述切换部分连接到所述不切换部分。
9.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述积分电容电路的所述不切换部分包括电容器。
10.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述积分电容的所述切换部分包括电容器。
11.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述积分电容包括多个切换部分和与所述不切换部分相连的相关联的开关器件，用于当所述调制器过驱动时进一步增加所述积分器级的损耗。
12.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述积分器级包括运算放大器电路，用于从采样电容器向所述积分电容传输电荷。
13.根据权利要求12的装置，其特征在于，所述积分器级包括切换电容器电路，响应输入电压信号和时钟信号，在一个相位中用所述采样电容器对所述输入电压进行采样，在另一个相位中将电荷从采样电容器传输到所述积分电容。
14.一种控制调制器中积分器级状态变量的装置，包括检测器电路，当所述调制器过驱动时产生过载信号；积分电容，与所述调制器中积分器级相关联并且具有不切换部分和切换部分；切换电路，用于选择地将所述切换部分连接到所述不切换部分和放电通路；以及控制电路，响应所述过载信号以及第一和第二相位信号，当未检测到过驱动时，将所述切换部分连接到所述不切换部分，而当检测到过载时，在一个相位中将所述切换部分专门用于反复地连接到所述不切换部分，使得电荷从所述不切换部分释放到所述切换部分，而在另一个相位中将所述切换部分反复地连接到所述放电通路，使得电荷从所述切换部分释放到所述放电通路，使得所述积分器级能够运行为损耗积分器，并控制所述调制器中积分器级的状态变量。
15.一种控制调制器中积分器级状态变量的方法，包括以下步骤检测所述调制器何时过驱动；在所述过驱动条件期间产生切换控制信号；以及在过驱动条件期间利用所述切换控制信号启动积分电容电路，以在一个相位中反复地断开所述积分电容的切换部分与不切换部分的连接以释放电荷，并在另一个相位中将所述切换部分连接到所述不切换部分以从所述不切换部分释放电荷，以增加所述积分电容的损耗并且控制所述调制器中积分器级的状态变量。
全文摘要
一种装置，用于控制调制器中积分器级的状态变量，包括检测器电路，当调制器过驱动时用于产生过载信号；控制电路，响应过载信号，在过驱动条件期间用于产生切换控制信号；以及积分电容电路，具有不切换部分和切换部分，当调制器过驱动时，响应切换控制信号，将切换部分反复地连接在不切换部分和放电通路之间，接收和释放电荷，从而增加积分器的损耗并控制调制器的状态变量。
文档编号H03M3/02GK1893281SQ20061005973
公开日2007年1月10日 申请日期2006年3月3日 优先权日2005年3月3日
发明者艾瑞克·格拉斯 申请人:阿纳洛格装置公司