专利名称：用于过采样数据转换的三层逻辑数据混洗的系统和方法
用于过采样数据转换的三层逻辑数据混洗的系统和方法发明背景本发明一般涉及2-A噪声整形类型的混合信号转换器，尤其涉及使用均匀加权元素的混合信号数模转换器。S-A数模转换器(DAC)提供了一种以与常规Nyquist转换器相比相对较 低的成本来实现高分辨率和低失真的手段。在典型的多位噪声整形过采样DAC 中，首先按过采样比(OSR)对数字输入进行提升采样，并且对其进行滤波以抑 制频带外的图像。然后，使用i:-A调制器以将字宽减小到可管理的大小，同时 将频带内的噪声整形到更高的频率范围中。使用二进制到温度计编码器将二进 制数据转换成温度计-代码数据。例如，美国专利5,404,142揭示了一种数据定 向扰频技术，其中量化的经噪声整形的字首先被转换成温度计代码。然后，使 用数据定向混洗器(shuffler)，以动态地选择输出级的一组元件。所选元件的 个数等于有效的温度计代码的个数。然后，根据混洗器的决定，模拟输出级通 过接通所选的那组元件，将混洗器的输出转换成模拟量。现有技术的温度计代码DAC包括电流导引部分和I-V转换器，该I-V转换 器包括用于控制BIT和互!T (或BITB)信号的DAC单元驱动器。通过将BIT 和BITB信号的交叉点设计成一个在普通模式电压之上的Vgs， DAC单元输出 波形中的符号间干扰(ISI)将达到最小。Vgs被定义成当各自传导输出电流的一半 时DAC开关的栅极-源极电压。因为真实器件总有缺陷，所以电流单元将不会精确地匹配。这种失配问题 使重新构造出的模拟信号中有谐波失真和噪声。由此，转换器的性能受限于这 些元件的匹配。市售的硅处理工艺只能够提供12位的无需校准或修整的匹配。已对这种元件失配进行了充分地研究并且提出了许多方法以将这种失配 误差转换成频谱整形噪声。通过将这种失配误差整形成频带外的频率范围，转 换器的信噪比(SNR)和动态范围(DNR)都得到了极大地提高。在这些方法中，使 用混洗器(有时候也被称为扰频器)，以针对每一个数字输入代码动态地选择
一组元件，使得随着时间的推移每一个元件都得到等同利用。这意味着每一对 元件之间的差异的初积分是零，因此，等价于一阶噪声整形S-A转换器。唯一 的差别是，在正常的S-A转换器中振幅误差经噪声整形，而在数据混洗器中该元件的使用过程中的误差经噪声整形。美国专利6,614,377揭示了现有技术蝶 式混洗器的一个示例。然而，常规温度计代码电流导引DAC的缺点是热噪声 性能。特别是，当数据是零时， 一半的切换电流源中连接到I-V转换器的一个 求和点，而另一半则连接到其它求和点。此外，顶部电流源总是连接到求和点。 这些电流源是DAC输出中的主要噪声源并且指示了该转换器的SNR。另一种没有上述噪声问题的常规DAC体系结构包括三层逻辑温度计电流 导引DAC，它包括用于位0-15中的每一个的一对电流源(正的和负的)。因 为每一对电流源可以以三种不同的方式连接到求和点，所以每一对可能贡献正 的电荷量、负的电荷量、或根本没有贡献。当数据是零时，所有的电流源都连 接到缓冲放大器以维持其恰当的漏极电压。因此，转换器的主要噪声源现在就 来自I-V放大器，通过设计这比上述电流源的情况要小很多。因此，SNR得到 了显著的提高。然而，这种体系结构的困难在于它同样会产生上述的元件失配。 现有技术的元件混洗器不适用于这种体系结构，因为它们只能混洗"1"和"0"。因此，需要一种能进一步减小元件失配的改进型噪声整形DAC。发明内容根据一个实施方式，本发明提供了一种用于在数据转换器中处理数字信号 的系统。该系统包括用于接收带符号的二进制数据并用于提供带符号的温度计 数据的温度计编码器。带符号的温度计数据包括正的温度计数据和负的温度计 数据。该系统还包括混洗器，该混洗器接收响应于正温度计数据的正输入数据 并且还接收响应于负温度计数据的负输入数据。该系统还包括解码器，用于接 收来自混洗器的输出数据并将解码后的数据提供给模拟输出级。根据另一个实施方式，本发明提供了一种用于在数据转换器中处理数字信 号的系统，该系统包括温度计编码器、混洗器和解码器。该温度计编码器用于 接收带符号的二进制数据，并且还用于提供带符号的温度计数据。该混洗器接 收带符号的温度计数据并且提供三层逻辑输出，该输出包括正状态输出、负状
态输出和零状态输出。该解码器用于接收来自混洗器的输出数据并且将解码后 的数据提供到模拟输出级。根据另一个实施方式，本发明提供了一种在数据转换器中处理数字信号的 方法，该方法包括如下步骤在温度计编码器处接收带符号的二进制数据；提 供带符号的温度计数据；在混洗器处接收带符号的温度计数据；提供包括正状 态输出、负状态输出和零状态输出的三层逻辑输出；在解码器处接收来自混洗 器的输出数据；以及将解码后的数据提供给模拟输出级。
参照附图可以对下面的描述作进一步理解，其中图1示出了根据本发明一实施方式的系统的功能框图；图2A - 2C示出了根据本发明一实施方式的3位桶形移位器的图解功能描绘；图3示出了根据本发明一实施方式的3位带符号的温度计逻辑编码器的图 解功能视图；图4示出了根据本发明一实施方式的三层逻辑混洗单元的图解视图；图5示出了根据本发明一实施方式的混洗单元的真值表；图6示出了根据本发明一实施方式的3位三层逻辑混洗器的图解视图；图7示出了根据本发明另一实施方式的4位三层逻辑混洗器的图解视图；图8示出了根据本发明一实施方式的DAC单元的示意图； 图9示出了根据本发明一实施方式的基于或非门的DAC单元驱动器的示 意图；图IO示出了根据本发明另一实施方式的基于与非门的DAC单元驱动器的 示意图；图11示出了在以及失配为0.5%的情况下用于4位二阶DAC的仿真的图 示；以及图12示出了在-60dBFS输入的情况下图11的仿真的图示。 这些附图仅用于说明。
具体实施方式
本发明提供了一种能处理"+l"、 "O"和"-l"或三层逻辑数据的混洗器，还特别提供了一种DAC单元驱动器，该驱动器能产生用于驱动BIT、BITB和ZERO 的三种信号同时使输出波形中的ISI达到最小。本发明提供了三层逻辑温度计(带符号的温度计)编码器、混洗器、控制 逻辑解码器以及DAC单元驱动器。三层逻辑温度计编码器的功能是将带符号 的二进制数据编码成带符号的温度计代码。控制逻辑解码器的功能是将混洗器 的输出解码成用于输出级的控制信号。混洗器的功能是将失配误差整形到频带 外频率范围中。图1示出了根据本发明一实施方式的系统10的框图。如图1所示，带符号的二进制数据被带符号的二进制温度计编码器12接 收到，该编码器12将带符号的温度计数据提供给用于正数据的随机桶形移位 器14和用于负数据的随机桶形移位器16。随机桶形移位器14和16的输出分 别被提供给三层逻辑混洗器18，并且混洗器18所输出的带符号的经混洗的温 度计数据被提供给控制逻辑解码器20，该解码器20向DAC提供控制信号。元件",的失配误差被定义成元件真实数值与所有元件的平均数值之差。具 体来讲，对于N-元件温度计DAC而言，元件w,的误差是-每一次当数据是"+l"且元件w,被选中时，贡献到该输出的误差就是+e,。每 一次当数据是"-l"且元件w,被选中时，贡献到该输出的误差就是-e,.。当数据是 零时，在该特定时钟周期内由元件",贡献的误差是零。混洗器具有两种功能。首先，它选择这些元件，使得每一个元件的误差的 平均贡献是零。第二，每一个元件的平均使用情况与所有其它元件相比保持均 等。第一个功能是由根据本发明一实施方式的混洗器单元来实现的，而第二个 功能是由整个混洗器中的蝶式连接来实现的。通过以数据定向方式使这些元件 的使用情况混洗，失配误差便被转换成噪声并且被整形到频带外的频率范围 中。本发明还提供了由随机数发生器来控制的两种桶形移位器。这些筒形移位
器用于对混洗器的数字输入信号进行解相关处理，使得混洗器单元不产生闲音(idle tone)。图2A、 2B和2C示出了当数据是3且移位分别是0、 2和6时3 位随机桶形移位器的操作过程。例如，在图2A中，数据是代码3 (如图中22 处所示)，并且伪随机发生器所产生的移位控制是O，该数据将占据底部3位。 当移位控制大于0时，数据将向上移动相应个数的位置(比如图2B和2C中的 24和26处所示的2或6个位置)并且如有必要的话(比如如图2C所示那样) 将回绕。图3示出了 3位带符号的温度计逻辑编码器30，同时出于说明的目的提供 了关于代码的描述。输入数据是带符号的二进制数据(其中包括祭号泣教^7"2/ 和腐/t位教游^7以及零泣蕭薪/^/)，而输出数据是带符号的温度计数据(其 中包括； 051—ow《0_/、 / (x —ow//7_/、 Pos—OM《2_/、 weg_ow《0_/、 "eg—owf/77、 "eg—ow《27 和weg一ow《^)。如代码中32处所示，正输出和负输出都首先初始化为0，然 后，根据输入的数据数值，像图中34和36处所示那样正输出位或负输出位被 确立(assert)为1。永远不会有正输出和负输出都被断言的情况，因为这代表 了非法条件。图4示出了根据本发明的一实施方式的混洗器单元40的示意图。混洗器 单元40包括D触发器42和44，它们分别在输入46和48处接收时钟输入信号 以及CMATe"L^"^—"和cw〃e"L"^e—6信号。触发器42和44的Q输出被提供 给或非门50和52， 一起提供的还有如图所示的其它各触发器的5输出。触发 器42的Q输出提供了 "eW—Wa^_a ，而触发器44的Q输出则提供了 wexOs加e—6 。 或非门50的输出被提供给异或(XOR)门54， 一起提供的还有"j"jw数据， 并且或非门52的输出被提供给异或门56， 一起提供的还有fljw—"eg数据。异 或门54的输出被提供给异或门58， 一起提供的还有6j"j^w数据，并且异或 门56的输出被提供给异或门60， 一起提供的还有6一/"一weg数据。异或门58 的输出被提供给与门62和与非门64。异或门60的输出被提供给与门66，并 且还被提供给与非门64。与非门64的输出被提供给与门62和66的输入。与 门62和66的输出被分别提供给触发器42和44的D输入46和48。用于正电路和负电路的a/b均衡是由加法器72、 74、 76和78提供的。特 别是，异或门54的输出提供了顶印jw信号以使加法器70和72的信号同步，
并且异或门56提供了 ，^_"化信号以使加法器74和76的信号同步。混洗器单元40的操作如下。在该时钟的上升沿，状态变量Wa"一a和W^e—6 得到更新。变量加&一fl记录了 2个正输出中的哪一个先前曾使用过，而 则记录了 2个负输出中的哪一个先前曾使用过。具体来讲，如果加^_"是1， 则先前曾使用过fl—jw。同样，如果Wa&J 是1，则先前曾使用过a—o"L"eg。 当Wa"—a禾口 Wa/eJ)者卩是1时，它们表示a—oW^p(w禾口 a—owf—"eg先前者卩曾使用 过，这意味着连接到a一oW w和a—ow—"eg的元件所贡献的误差最终得到平衡 并等于零。图5中的80处示出了用于图4的混洗器单元40的逻辑电路的有效数值的 真值表。尽管总共有64种输入组合，但是某些组合是不准许的，因为它们同 时具有正的和负的输入(都是1)或者s加e—a和W^e—6同时等于1。图中82 处示出了有效的输入可能组合，图中84处示出了有效的可能输出组合。图6示出了 3位三层逻辑混洗器，它接收8行输入并产生8行输出。该单 元使用蝶式连接，其中成对的数据行像图示那样交叉耦合。特别是，该电路包 括交换单元卯，它接收输入数据"eg—;W、 pew—/"/5/、 "eg—/"/"2/和pw—/<2/。 交换单元92接收输入数据/W、 pay_/W、 "eg—/<0/和P^—/"^_/。来自 单元90的fl一oW—"eg数据和a—oz^数据被直接转移到单元94的a—/w—Meg 和a—/" 输入，而来自单元90的6—oW—weg数据和数据被交叉到 单元96的a—/"—"eg禾口 fl—/"输入。来自单元90的a—oz"—"eg数据禾口 a— 数据被交叉到单元94的6— eg和6—/" 输入，而来自单元90的6— 数据和数据则被直接转移到单元96的6—"eg和6 输入。图7示出了 4位三层逻辑混洗器电路，它接收8对输入并产生8对输出。 该电路包括交换单元100、 102、 108和110，它们像上文结合图6的电路所描 述的那样起作用。该电路还包括单元104、 106、 112和114，它们也像上文参 照图6所描述那样起作用。在图7的电路中还提供了第二级，其中6—ow—"eg 和6—数据被直接提供给单元116、 118、 120和122，而o",—和 数据则被交叉。特别是，单元108的a—o",—"eg和a—数据被 交叉到单元120的禾n ajw数据输入；单元110的a一o^—"eg和 a—数据被交叉到单元122的a—weg和a—数据输入；单元112 的禾口 <3_oW数据被交叉至(J单元116的"eg禾口 fl—/"数据 输入；并且单元114的"—owL"eg和a—_/ 0 数据被交叉到单元118的a—"eg 和flJMjcw数据输入。因为每一个混洗器具有4个输出，因此它将连接到2对 推挽电流单元。图8示出了根据本发明一实施方式的DAC单元130，它包括放大器132、 正电流源134、负电流源136以及开关138、 140、 142、 144、 146和148，它 们被用于提供如图所示的尸MOS、 B/rS—尸MOS、 5/r万JWl/OS和M05"输出。图9示出了根据本发明一实施方式的DAC单元150，它使用了基于或非门 的设计。特别是，电路150包括或非门152、 160、 162和164以及缓冲器154、 156、 158、 168、 172和176、以及反相器166、 170和174。图10示出了根据 本发明一实施方式的DAC单元180，它使用基于与非门的设计。特别是，该电 路180包括或非门182以及与非门190、 192和194，还包括缓冲器184、 186、 188、 196、 200、 204以及反相器198、 202和206。图11示出了根据本发明一实施方式的三层逻辑数据定向混洗器的二阶4 位DAC的输出频谱图。该DAC具有16个单位元件，它们具有0.5%rms的失 配误差。图11示出了在210处的二阶噪声整形器的40dB/dec以及在212处的 元件失配噪声整形的20dB/dec。图12示出了同一转换器的-60犯FS输出。特别 是，图12示出了在214处的-100到-50犯FS，其峰值示出在216处，220处示 出了带有元件失配的仿真结果，而218处则示出了不带元件失配的理想结果。 图11和12将混洗器的噪声整形效果显示成频谱图的20dB/dec斜率。因此，在各种实施方式中，本发明提供了一种从带符号的二进制数据输入 中产生带符号的温度计数据输出的方法，其中该方法包括产生两个温度计数据 输出的步骤； 一个对应于正输入数据，而另一个则对应于负输入数据。在其它 实施方式中，本发明提供了一种用于对正的和负的温度计数据组进行预随机化 处理的方法，并且可以进一步包括如下步骤产生伪随机数；以及利用该伪随机数来控制两个桶形移位器以便在桶形移位器内移动温度计数据字的位置。 根据另一个实施方式，本发明提供了一种在带符号的温度计数据进入混洗器之前对这些数据先进行分组的方法，该方法包括如下步骤将正的温度计数 据分成两组；以及将负的温度计数据分成两组。根据另一个实施方式，本发明提供了一种对带符号的温度计数据进行混洗 的方法，该方法包括如下步骤产生混洗器单元；产生状态变量，并且基于先 前的状态变量和当前的输入在混洗器单元中产生交换控制信号；将混洗器单元 的输入直接连接到上述输出；或者根据交换控制信号的数值在将输入连接到输 出之前先交换这些输入。根据另一个实施方式，本发明提供了带符号的温度计数据混洗器单元，它 包括 一对正的温度计数据输入； 一对负的温度计数据输入； 一对正的温度计 数据输出； 一对负的温度计数据输出；以及数字信号和复位信号。根据另一个实施方式，本发明还提供了先前的混洗器单元的正的输出对 可以连接到后面的混洗器单元的正的输入对；以及先前的混洗器单元的负的输 出对可以连接到后面的混洗器单元的负的输入对；其中两种连接都遵循上述蝶 式连接。根据另一个实施方式，本发明提供了一种对混洗器的输出进行解码的方 法，该方法包括如下步骤从正的和负的输入中产生新的控制信号，其中当两 种输入都较低时该控制信号被确立；将正的输入连接到一对开关；以及将负的 输入连接到一对开关。根据另一个实施方式，本发明提供了一种用于使电流源的漏电压保持在一 已知的电平处的方法，该方法包括如下步骤当输入控制信号都是零时，将电 流源连接到参考电压缓冲器输出。本领域的技术人员将会理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以 对上述各实施方式作出各种改变和修改。
权利要求
1.一种用于在数据转换器中处理数字信号的系统，所述系统包括温度计编码器，用于接收带符号的二进制数据并提供带符号的温度计数据，所述带符号的温度计数据包括正的温度计数据和负的温度计数据；混洗器，接收响应于正的温度计数据的正的输入数据，并且还接收响应于负的温度计数据的负的输入数据；以及解码器，用于接收来自所述混洗器的输出数据并且将解码后的数据提供给模拟输出级。
2. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述系统还包括正的数据桶形 移位器，插放在所述温度计编码器和所述混洗器之间；以及负的桶形移位器，插放 在所述温度计编码器和所述混洗器之间。
3. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述温度计编码器包括第一正 的输出数据节点，用于提供正的温度计数据；以及负的输出节点，用于提供负的温 度计数据。
4. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述混洗器包括多个混洗器单元， 每一个混洗器单元都接收两对输入并提供两对输出，其中所述两对输出中的一对输 出耦合到第二混洗器单元，而另一对输出则耦合到第三混洗器单元。
5. 如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述混洗器接收四对数据输入并 提供四对数据输出。
6. 如权利要求4所述的系统，其特征在于，每一个所述的混洗器单元都包括 一对正的温度计数据输入、 一对负的温度计数据输入、 一对正的温度计数据输出、 一对负的温度计数据输出、时钟信号以及复位信号。
7. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述模拟输出级包括三层逻辑输出驱动器，它提供正的输出、负的输出以及零输出。
8. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，每一个所述的混洗器单元都包括触发器。
9. 一种用于在数据转换器中处理数字信号的系统，所述系统包括 温度计编码器，用于接收带符号的二进制数据并提供带符号的温度计数据； 混洗器，接收所述带符号的温度计数据并且提供包括正的状态输出、负的状 态输出和零状态输出的三层逻辑输出；以及解码器，用于接收来自所述混洗器的输出数据并且将解码后的数据提供到模 拟输出级。
10. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述带符号的温度计数据包括 正的温度计数据和负的温度计数据。
11. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括正的数据桶 形移位器，插放在所述温度计编码器和所述混洗器之间；以及负的桶形移位器，插 放在所述温度计编码器和所述移位器之间。
12. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述混洗器包括多个混洗器单 元，每一个混洗器单元都接收两对输入并提供两对输出，其中所述两对输出中的一 对输出耦合到第二混洗器单元，而另一对输出则耦合到第三混洗器单元。
13. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述混洗器接收四对数据输入 并提供四对数据输出。
14. 如权利要求12所述的系统，其特征在于，每一个所述的混洗器单元都包 括一对正的温度计数据输入、一对负的温度计数据输入、一对正的温度计数据输出、 一对负的温度计数据输出、时钟信号以及复位信号。
15. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述混洗器用于当所述零状 态输出由所述混洗器提供时，电流源都耦合到参考电压。
16. —种用于在数据转换器中处理数字信号的方法，所述方法包括如下步骤 在温度计编码器处接收带符号的二进制数据； 提供带符号的温度计数据； 在混洗器处接收所述带符号的温度计数据；提供包括正的状态输出、负的状态输出和零状态输出的三层逻辑输出； 在解码器处接收来自所述混洗器的输出数据；以及 将解码后的数据提供到模拟输出级。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述提供三层逻辑输出的步骤 包括当电流源都耦合到参考电压时，提供零状态输出。
全文摘要
揭示了一种用于在数据转换器中处理数字信号的系统。该系统包括温度计编码器，用于接收带符号的二进制数据并提供带符号的温度计数据。带符号的温度计数据包括正的温度计数据和负的温度计数据。该系统还包括混洗器，它接收响应于正的温度计数据的正的输入数据，它还接收响应于负的温度计数据的负的输入数据。该系统还包括解码器，用于接收来自混洗器的输出数据并将解码后的数据提供到模拟输出级。
文档编号H03M1/06GK101160723SQ200680012171
公开日2008年4月9日 申请日期2006年4月13日 优先权日2005年4月18日
发明者K·Q·纽耶恩, R·舒瑞尔 申请人:模拟设备股份有限公司