专利名称：一种优化功耗和输出信噪比的数模转换器的制作方法
技术领域：
本发明属于混合信号集成电路设计领域，特别涉及一种优化功耗和输出信噪比的 Δ Σ数模转换器。
背景技术：
Δ Σ (Delta-Sigma)数模转换器把大部分转换过程转移到了数字域，以数字电路 的复杂性换取对模拟转换电路的高要求，可以实现高精度转换而不需精确的元件匹配，成 本低且易于集成，因而广泛用于高品质数字音频信号处理、多媒体信号处理等领域。D类功 率放大器具有效率高、体积小、重量轻、输出功率大等优点，可以有效的降低对电源及散热 的要求，成为便携式设备较好的选择。因此集成D类功率放大器的△ Σ数模转换器可以把 模拟低通滤波器之前的全部操作在数字域内完成，且同时兼具两者优点。传统的Δ Σ数模转换器通常是由依次连接的内插滤波器、Δ Σ调制器、内部数模 转换电路及模拟低通滤波器构成，如图1所示。传统结构中内部数模转换电路设计时要考 虑比较多，1比特的内部数模转换电路设计起来比较简单，但是转换后输出的信号的压摆率 较高，并且含有较高的带外信号能量；多比特的内部数模转换电路由于需要消除数模转换 的非线性误差而需要额外的复杂电路设计。同时，传统△ Σ数模转换器如果需要较强的带 载能力还需要额外的功率放大电路。与本发明最相近的一种设计结构如图2所示，是由依次连接的内插滤波器、1比特 Δ Σ调制器、D类功率放大器、模拟低通滤波器构成，此结构可以将模拟低通滤波器之前的 所有操作在数字域内完成，避免了传统结构中内部数模转换电路的设计，并且由于D类功 率放大器可以进行高效功率放大，所以不再需要功率放大电路即可高效的驱动负载。但是 由于前级的内插滤波器将信号进行升采样而使得电路的工作时钟频率较高，经1比特Δ Σ 调制器调制后的高速的1比特码流及其反相码流控制D类功率放大器开关的快速通断，造 成电路功耗相对较大；为了获得较高信噪比的输出信号，高速的1比特码流驱动D类功率放 大器使得后级的模拟低通滤波电路设计上相对要求较高，所以有待改进。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种优化功耗和输出信噪比的 数模转换器。一方面，通过对1比特Δ Σ调制器输出的1比特码进行逻辑编码，编码后的 信号再控制D类功率放大器的开关动作，可以降低D类功率放大器的开关动作频率，进而降 低Δ Σ数模转换器的功耗；另一方面，在D类功率放大器前添加的编码器具有数字低通滤 波器的功能，可以提高输出信号的信噪比。本发明的一种优化功耗和输出信噪比的数模转换器，采用Δ Σ数模转换器，包括 依次连接的内插滤波器、1比特△ Σ调制器、D类功率放大器及模拟低通滤波器，其特征在 于，还包括连接在1比特Δ Σ调制器与D类功率放大器之间的DLPF编码器；其中，输入的 多比特数字信号先通过内插滤波器完成升采样，然后通过1比特Δ Σ调制器完成噪声整形，调制器输出的1比特码再经过DLPF编码器进行编码，DLPF编码器输出的2比特码控制 D类功率放大器的开关操作，最终经过模拟低通滤波器滤除不必要的带外噪声，实现数模转 换及功率放大。本发明提出的优化功耗和输出信号信噪比的△ Σ数模转换器在进行数模转换时 的工作过程为(1)多比特数字输入信号经过内插滤波器进行内插滤波，内插滤波的过程完成升 采样，即内插滤波器的输出信号的采样率变为输入信号采样率的OSR倍，OSR为过采样率。(2)内插滤波器的输出信号进入1比特Δ Σ调制器进行噪声整形，输出信号为1 比特的数字码流。(3) 1比特的数字码流输入到DLPF编码器进行编码，编码后的输出信号为2比特码 OUT 12和0UT34，OUT 12和OUTiM控制着D类功率放大器的开关通断。(4)0UT12和0UT34控制着D类功率放大器的开关操作进行信号的功率放大，功率 放大后的数字信号为EP0UT12-EP0UT34，此为三态(_1，0，1)信号。(5)EP0UT12_EP0UT34输入到模拟低通滤波器，滤除带外高频分量，得到需要的模 拟输出信号。本发明的创新之处是在Δ Σ调制器和D类功率放大器之间加入DLPF编码器，加 入DLPF编码器后将有效的降低D类功率放大器的开关动作频率，进而降低数模转换器的功 耗；加入的DLPF编码器具有数字低通滤波器的功能，故可以提高输出信号的信噪比。
图1为传统Δ Σ数模转换器的结构图。图2为与本发明设计最相近的数模转换器的结构图。图3为本发明设计的Δ Σ数模转换器的结构图。图4为本发明的内插滤波器的实施例结构图。图5为内插滤波器半带IIR滤波器实现时采用的时分复用单元。图6为本发明的DLPF编码器的实施例结构图。图7为本发明的D类功率放大器的实施例结构图。
具体实施例方式本发明提出的一种优化功耗和输出信噪比的Δ Σ数模转换器，结合附图及实施 例详细说明如下本发明的一种优化功耗和输出信噪比的数模转换器，采用Δ Σ数模转换器，包括 依次连接的内插滤波器、1比特△ Σ调制器、D类功率放大器及模拟低通滤波器，其特征在 于，还包括连接在1比特Δ Σ调制器与D类功率放大器之间的DLPF(Digital Low Pass Filter)编码器；如图3所示；其中，输入的多比特数字信号先通过内插滤波器完成升采样， 然后通过1比特Δ Σ调制器完成噪声整形，调制器输出的1比特码再经过DLPF编码器进 行编码，DLPF编码器输出的2比特码控制D类功率放大器的开关操作，最终经过模拟低通 滤波器滤除不必要的带外噪声，实现数模转换及功率放大。本发明的各器件的具体实施例及功能详细说明如下
(1)内插滤波器过采样技术是Delta-Sigma数模转换器的核心技术之一，它通过对信号进行内插 来实现。内插滤波器可实现采样率的变换，同时消除因插值引入的镜像信号。由于内插滤 波器的通带通常远窄于输入信号的采样频率，故内插滤波器需要很陡峭的过渡带，但是要 达到较陡的过渡带滤波器的系数往往太大，不利于硬件实现，通常采用多级结构来实现内 插滤波器以解决这一问题。本发明的内插滤波器采用通过开关依次连接的2级半带UR滤波器、4级梳值 滤波器，完成64倍升采样，如图4所示。每一级半带UR滤波器采用BMCU(Basic Micro ControlUnit)的设计方法实现的时分复用单元。可充分利用过采样产生的时隙，对硬件电 路进行时分复用，该时分复用单元如图5所示，时分复用单元仅由加法器、指令寄存器^、 补码转换器、移位器，以及多个多路选择器和多个D类触发器等简单单元电路实现，其中， 从指令寄存器中取出指令Ins (16 0)控制各条数据通路的操作，输入端口的％和％是输入 序列连续两个时刻的值，其他标号表示一种连接关系，相同标号的节点连在一起。具体时序 操作如表1所示表权利要求
1.一种优化功耗和输出信噪比的数模转换器，采用Δ Σ数模转换器，包括依次连接的 内插滤波器、1比特Δ Σ调制器、D类功率放大器及模拟低通滤波器，其特征在于，还包括连 接在1比特Δ Σ调制器与D类功率放大器之间的DLPF编码器；其中，输入的多比特数字信 号先通过内插滤波器完成升采样，然后通过1比特Δ Σ调制器完成噪声整形，调制器输出 的1比特码再经过DLPF编码器进行编码，DLPF编码器输出的2比特码控制D类功率放大器 的开关操作，最终经过模拟低通滤波器滤除不必要的带外噪声，实现数模转换及功率放大。
2.如权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述DLPF编码器由四个D触发器、一 个加法器、一个异或门、一个反相器构成，具体连接关系为输入信号DIN(n)与第一 D触发 器的D端口和加法器的B端口相连，第一 D触发器的Q端口与第二 D触发器的D端口相连， 第二 D触发器的Q端口与加法器的A端口相连，加法器的S端口与异或门的A端口相连，异 或门的C端口与第三D触发器的D端口相连，第三D触发器的Q端口与输出信号0UT12相 连，加法器的C端口同时与异或门的B端口和反相器的A端口相连，反相器的B端口与第四 触发器的D端口相连，第四触发器的Q端口与输出信号0UT34相连，输入时钟信号CLK分别 与第一 D触发器、第二 D触发器、第三D触发器、第四D触发器的CLK端口相连。
全文摘要
本发明涉及一种优化功耗和输出信噪比的数模转换器，属于混合信号集成电路设计领域，包括依次连接的内插滤波器、1比特Δ∑调制器、D类功率放大器及模拟低通滤波器，还包括连接在1比特Δ∑调制器与D类功率放大器之间的DLPF编码器；其中，输入的多比特数字信号先通过内插滤波器完成升采样，然后通过1比特Δ∑调制器完成噪声整形，调制器输出的1比特码再经过DLPF编码器进行编码，DLPF编码器输出的2比特码控制D类功率放大器的开关操作，最终经过模拟低通滤波器滤除不必要的带外噪声，实现数模转换及功率放大。本发明可以降低D类功率放大器的开关动作频率，进而降低Δ∑数模转换器的功耗；另一方面，还可以提高输出信号的信噪比。
文档编号H03M1/66GK102055479SQ20101061037
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘力源, 姚晓亮, 李冬梅 申请人:清华大学