自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构及其实现方法与流程

本发明系关于一种三角积分调制器架构及其实现方法，特别是一种结合低功耗表现与延伸动态范围的三角积分调制器架构及其实现方法。

背景技术：

近年来随着集成电路设计与制程技术演进，三角积分调制器(Sigma-delta modulators)的应用范畴大幅增加，从音频信号处理的电路如随身听、音响、医疗用的助听器到生医仪器如心电信号量测仪器上都可以看到三角积分调制器的应用。同时，集成电路设计的演进不但讲求高效率，更要求低成本、低功耗，因此如何完善的设计出符合需求的产品也是设计者的重要考虑。

在现今的技术中，大多只能为电路做单一功能的提升，例如在增加动态范围时常用的设计方法为使用多重反馈(Multiple Feedback)架构并结合前馈路径(Feedforward Path)与级间反馈(Local Feedback)，因此会大大增加电路面积与功率消耗。另外在传统动态范围延长的设计技术中多是针对量化器去做新设计，又或者根据特定的需求去重新设计硬件并订定架构，然而这样一来在设计过程中往往会耗费大量时间而间接提高了设计成本。

因此，如何提出一种新的三角积分调制器架构及其实现方法以克服上述现有技术中为增加三角积分调制器动态范围而使电路面积大幅增加、功耗增加，抑或根据特定需求重新设计硬件而使设计时间和成本增加等诸多缺失，实已成为目前业界亟待解决的课题。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构及其低功耗电路实现方法与自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法，其能有效延伸动态范围且符合低功耗要求的。

本发明的另一目的在于提供一种自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构及其低功耗电路实现方法与自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法，其架构精简，能达到降低集成电路设计面积的要求，进而降低电路设计成本。

本发明的再一目的在于提供一种自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构及其低功耗电路实现方法与自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法，其架构引入动态校正的特征，以免去前级放大器的设计，进而降低模拟信号处理系统的设计成本。

为达上述及其他目的，本发明提供一种自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构，其包括：三角积分调制单元，以三角积分调制方式转换模拟信号及数字信号；积分器单元，利用连续三角积分架构算法推算的系数进行信号处理；以及自动更正单元，根据所述三角积分调制单元中的系统输出信号强度，用以比对所述三角积分调制单元中的系统输入信号规格以找出多组动态范围曲线，并依该些动态范围曲线撷取出多组前馈系数与系统阶数的组合，以延伸所述三角积分调制单元中的系统的动态范围。

本发明的自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构中的自动更正单元采用数字电路架构设计，其包括：数字信号处理器，对所述三角积分调制单元的系统输出信号进行滤除噪声处理，并监控所述系统输出信号强度；计数器与缓存器阵列，所述计数器用于计算接受所述数字信号处理器的所传信号与输出缓存器阵列储存值的时间，缓存器阵列储存所述数字信号处理器所传的信号值；比较器，用于将所述缓存器阵列输出的信号值与系统参考信号值进行比较，输出数字码；数字系数控制器，接收所述数字码，用于切换前馈增益调控单元与系统阶数调控单元以调整多组前馈系数与系统阶数；前馈增益调控单元与系统阶数调控单元，用于接受所述数字系数控制器的操作，透过系统阶数与不同前馈系数的组合，延伸系统动态范围；以及积分器调控单元，用于动态调整所述积分器单元的电路系数，进而对系统功耗进行控制。

于本发明中，所述前馈增益控制单元储存有多组前馈系数，当所述输出的信号值较参考信号值所发生的改变超出预设值时，所述数字系数控制器触发所述前馈增益控制单元将当前所使用之前馈系数切换成另一组前馈系数，或者触发所述系统阶数调控单元将当前所使用的系统阶数切换成另一个系统阶数。

本发明的自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构中的自动更正单元系动态监测所述系统输出信号强度，当所述系统输出信号强度改变，透过所述自动更正单元降低或提升系统阶数，以节省系统功耗。

所述积分器单元中各级积分器架构采用连续时间转导电容式放大器作为设计基础进行架构，并搭配超取样(Oversampling)技术与噪声整形(Noise Shaping)技术。

本发明自动更正动态范围的三角积分调制器架构的自动更正单元中的计数器与缓存器阵列，所述计数器控制每过一段时间则进行所述数字信号处理器单元的输出值储存，当所述计数器计算到一预设周期时，则将所述缓存器所存的输出峰值送至所述比较器进行比较。

本发明还提出一种自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法，包括：藉由动态延伸算法将系统输出信号与系统输入信号进行比较以及算出多组动态范围曲线，并依此撷取出 适合的系统阶数与前馈系数的组合进行储存；系统输入一预设信号并给予一组系统阶数与前馈系数进行系统电路调整与初始化；动态监测三角积分调制器输出信号强度，当所述输出信号强度变化不超过一预设值时，则保持初始前馈系数与系统阶数，否则进行前馈系数、系统阶数切换，直至系统稳定并达到功耗/效能平衡。

本发明的自动更正且延伸三角积分器动态范围的方法，当进行前馈系数、系统阶数切换时，优先进行前馈系数切换，直至所储存的所有前馈系数使用完毕系统还未达到效能/功耗平衡时，方执行系统阶数切换。

本发明的自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法所利用的动态延伸算法透过数字电路实现，所述数字电路包括数字信号处理器、计数器与缓存器阵列、比较器、数字系数控制器、前馈增益调控单元与系统阶数调控单元以及积分器调控单元。

更进一步地，本发明自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法，可根据所述输出信号强度大小，进行系统阶数切换，以达到降低或提升系统阶数。

在上述本发明三角积分调制器基础上，还提出所述自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构的低功耗电路实现方法，包括：检测该三角积分调制器系统输出信号，并确认所述输出信号质量是否符合设定规格，若符合则维持使用所记录的系统系数；若不符合则记录当前系统系数，并调整该三角积分调制器架构中的各级积分器增益；以及检测调整后的系统输出信号，并再次确认所述系统输出信号质量是否符合设定规格，如符合则维持使用所记录的系统系数；若不符合则执行上述记录当前系统系数并继续调整系统各级积分器增益的步骤，直到该系统输出信号的质量符合设定规格。

由上述说明可知，三角积分调制器架构中自动更正单元的设计机制引入了宽动态延伸算法的概念，此算法会检验三角积分调制器架构系统输出的信号的规格及其频域分布范围，并比对欲达成的规格与本身的系统设计，依此产生多组动态范围曲线。并由适用于系统的动态范围曲线撷取出可组合之前馈系数组合与系统架构阶数。此算法的特点在于对系统进行校正时不会影响到该系统的稳定度，即透过改变前馈系数只会改变信号转移函式的零点，信号转移函式的极点，亦即量化噪声转移函数的极点并不会受到影响。因此在保有系统稳定度的情况下，本发明能针对系统不同的输出信号强度进行自动更正进而优化地延伸该系统的效能。而自动更正单元中的数字信号处理器会在系统运作时侦测系统的输出信号强度并送至计数器与缓存器阵列，由计数器与缓存器对输出信号在一时间周期内进行采样处理，并将该周期内的采用最大值(即输出峰值)输出给比较器进而输出的数字码控制数字系数控制器单元与系统阶数调控单元，使得数字系数控制器单元调整系统阶数或对前馈增益调控单元进行操作引 入新产生之前馈系数将原本之前馈系数取代掉，进而达到自动调制前馈系数并延伸动态范围的目的。

另一方面，本发明采用了可调式的三角积分调制器架构，对系统的效能平衡观点有更深一层的考虑。在宽动态延伸算法中，透过调整架构与前馈系数来达成输出高分辨率的要求，而引入可调式的系统架构的应用情境为，当系统输出信号强度够大时则没有使用高阶三角积分调制单元进行模拟数字转换的必要性，亦即使用低阶架构可以有效减少系统的功率消耗；反的，当输出信号强度较弱时则进行阶数提升以提升系统表现。因此本发明注重于整体效能的表现，特别是着重于拥有良好的信号分辨率与低功耗设计技术。

此外，本发明在系统低功耗实现上，除了采用上述自动更正单元来切换系统阶数与前馈系数外，还提出可编程(Programmable)的放大器(即可编程的三角积分调制器)，透过一电路算法，能将电路中的非理想效应纳入考虑；而透过建立电路规格与非理想效应整合的模拟环境能够较精准的获得系数与效能、功耗对应的模型，在自动更正单元切换电路规格时能使系统效能优化达到低功耗而兼具效能的表现。

以下将藉由具体实施例搭配所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A及图1B为本发明自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构执行三角积分器架构设计算法与自动更正延伸动态范围的流程示意图。

图2为本发明的自动更正动态范围的三角积分调制器架构方块图。

图3为本发明自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法中进行信号质量的再确认处理的流程图。

图4用以说明应用本发明自动更正且延伸三角积分调制器动态范围的方法于三角积分调制器内建的放大器电路实现方法流程图。

组件标号说明

201 减法器

202 积分器单元

203 放大器

204 加法器与量化器

205 数字至模拟转换器

206 数字信号处理器

207 计数器与缓存器阵列

208 比较器

209 数字系数控制器

210 前馈增益调控单元

211 积分器调控单元

212 系统阶数调控单元

G1～Gn 交换电容式积分器

S1～Sn 开关

S101～S117 步骤

S301～S305 步骤

S401～S408 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供了一种新型的三角积分调制器架构与其实现方法，特别是针对系统架构的初始化与当输出信号强度发生变动时电路能做出相对应调整的高效能算法，其作法为透过一自动更正单元执行一动态延伸算法去搜寻多条的动态范围曲线，并比对系统的设计规格以获得三角积分调制器所需之前馈系数与系统阶数。当输出信号强度发生改变时再透过系统架构内新增的自动更正单元来自动更正三角积分调制器之前馈系数与系统阶数并以此延伸三角积分调制单元的动态范围，进而改善系统效能。

首先，如图1A及图1B所示，其为本发明自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构中自动更正单元(该自动更正单元请容后说明于下述图2中)所使用的动态范围延伸算法进 行三角积分器动态范围延伸的流程示意图，此方法流程包含两个阶段分别为系统初始化与建立前馈系数数组阶段(如图1A所示)以及系统开始运作后的操作阶段(如图1B所示)，步骤S101为生理电信号规格，步骤S102为电路设计规格与要求输入，步骤S103为利用系统行为模拟与设计规格进行比对，步骤S104为生成N组系数数组与多组宽动态曲线，步骤S105针对预设输入信号给予一组适当的系统阶数与前馈系数初始化系统；接着在系统开始运作后的操作阶段，步骤S106为系统稳定维持原始前馈系数，步骤S107为判断本发明的三角积分调制器的系统输出信号强度是否改变，当所述输出信号强度改变超过s dB(s的值可透过系统行为模拟制定)，步骤S108透过系统行为模拟结果比对信号强度，步骤S109为依照系统行为模拟并校正动态范围，步骤S110为从N组前馈系数挑选可用系数，步骤S111为修正系统前馈系数，步骤S112为判断修正前馈系数后所述输出信号是否符合信号处理规格，步骤S113为判断修正前馈系数后所述三角积分调制器的系统效能与功耗是否达到平衡，步骤S114为修正系统阶数，步骤S115为判断修正系统阶数后所述系统输出信号是否符合信号处理规格，步骤S116为判断修正系统阶数后效能与功耗是否达到平衡。本流程会由自动更正单元不断监测系统的输出信号强度，因此随时保持在运作阶段，而步骤S106表示系统处于稳定状态。

更详而言之，本发明的上述步骤S101、S102、S103、S104、S105为系统初始化与建立前馈系数的步骤，步骤S101为输入运用范畴的生理电信号规格，步骤S102为输入系统与电路设计规格如带宽与分辨率，步骤S103为将步骤S101、步骤S102输入的规格进行系统行为模拟并与设计规格进行比对，步骤S104利用步骤S103产生的结果生成多组动态范围曲线并依此生成N组前馈系数，步骤S105为利用已建立的硬件架构在预设信号输入时给予一组系统阶数与前馈系数进行电路的调整与初始化。图1B所示步骤S106至S117为系统开始运作后的操作阶段，步骤S106为当输出信号强度不变时，则保持初始之前馈系数与系统架构阶数，步骤S107当侦测到系统输出信号强度改变超过s dB时则到下一步骤S108，前述输出信号可利用如图2所示的构架以其中的计数器与缓存器阵列207动态检测输出信号峰值；如果输出信号强度不变或改变不超过s dB时则回到步骤S106，以维持初始之前馈系数与系统架构阶数，步骤S108为依照系统行为模拟与输出信号的峰值进行比对，并由步骤S109进行动态范围的校正以获得更好的分辨率，步骤S110则是挑选经过步骤S104算法所生成的N组前馈系数。

步骤S111为将经过步骤S110所挑选之前馈系数代入系统对系统进行修正，步骤S112为判断代入前馈系数后的系统是否符合信号处理规格，若不符合则进到步骤S113，若仍有其他可用系数时则继续代入其他已挑选之前馈系数，如果系数组合使用完毕时则进到步骤S115；若信号符合规格则进到步骤S114，步骤S114为进行效能与功耗的平衡比对，若比对失败则 回到步骤S111继续修正系统之前馈系数；若是符合则到步骤S106，以维持系统稳定状态。步骤S115为可用之前馈系数用尽时系统将会修正系统阶数，接着进到步骤S116以判断修正系统阶数后是否符合信号处理规格，如果符合则进到步骤S117进行功耗与效能平衡比对，若不符合则重新回到步骤S111，以挑选其他可用的系统前馈系数，步骤S117进行修正系统阶数之后的功耗与效能平衡比对，若符合则到步骤S106保持系统稳定状态；若不符合则到步骤S111挑选其他可用之前馈系数继续修改系统的参数。

本发明的系统建立由宽动态延伸算法检验系统电路设计要求规格与生理电信号规格而成。生理电信号规格会依据其所分布的电压范围在宽动态延伸算法中被转换成数组参考电压并建立特定供辨识用的数字码。而系统电路设计要求规格会经由宽动态延伸算法推算出数组可实现的动态范围曲线并依此可得出数组前馈系数与系统架构阶数的组合。在获得生理电信号规格所产生的参考电压与数组前馈系数与系统架构阶数的组合后，宽动态延伸算法会将两者进行比对以撷取出部分可以适用于现在系统架构的参数组合。

本发明的设计在于获取系统效能的平衡，能以最低限制的功耗满足系统需求。宽动态延伸算法在系统开始运作时利用自动更正单元动态判断输出信号强度是否改变，如果改变则利用自动更正单元内建的计数器与缓存器阵列在一预定的时间周期内周期性采样系统输出信号并比较保持该时间周期内最大采样值并输出给后续比较器，实现与参考电压比较并依此生成数字码控制数字系数控制器，因此能适当地调整前馈系数与系统阶数。算法的另一设计在于其效能优化的设定，在追求优化分辨率的过程中，须等前馈系数组合皆被用尽之后才会进行系统阶数的调整，此为考虑到效能的平衡；反之当信号质量较好时则依据流程调整系统阶数与前馈系数以降低功耗，从而使系统达到低功耗而拥有宽动态范围的设计。

接着，如图2所示，其为本发明自动更正动态范围的低功耗三角积分调制器架构，此为一种数字校正架构，由此架构图可以看出系统输入信号会进入减法器201，在减法器201中会将输入信号与经过三角积分调制器处理过的反馈信号相减，并送入并接多级交换电容式积分器(G1、G2、…、Gn)的积分器单元202进行信号处理。在该积分器单元202的每一级交换电容式积分器(G1、G2、…、Gn)输出会送出到处理各级输出的放大器203进行信号的增幅，最后送至加法器与量化器204进行信号的迭加与量化取样。加法器与量化器204的输出分为二个：一个为送至数字信号处理器206滤除噪声后作为系统输出(作为系统前馈的数字信号以便自动更正单元在系统运行过程进行动态侦测)，另一个为经由数字至模拟转换器205作为反馈信号传回减法器201。前述自动更正单元包括：数字信号处理器206、计数器与缓存器阵列207、比较器208、数字系数控制器209、前馈增益调控单元210、积分器调控单元211 与系统阶数调控单元212。

以上主要为信号处理部分，接下来所述为信号与系统动态范围自动更正的技术与其架构设计。首先，如上所述，加法器与量化器204的输出经由数字信号处理器206信号处理可还原出可供辨识的输出信号峰值，送至计数器与缓存器阵列207。所述缓存器阵列负责接收数字信号处理器206的输出值并由所述计数器控制每过一段时间则进行储存，间隔时间则可由用户根据输入信号自行设定，以获得最好效率。当计数器计算到一定时间周期时，则将缓存器阵列所存的最大输出峰值送至比较器208进行比较，比较完之后再将数字码送至数字系数控制器209进行系数的调控。数字系数控制器209接收所述数字码进而控制前馈增益调控单元210引入适当的增益，控制系统阶数调控单元212进行系统阶数切换。其原理为将系统输入信号输入前馈增益调控单元210作为基本的信号，并藉由数字系数控制器209赋予输入信号所需的增益，以及合适的系统阶数，藉由前馈系数与系统阶数的组合以调整系统的动态范围。

另外从图2可见积分器调控单元211，此系与前馈增益调控单元210共同呈现图1所述的宽动态延伸算法。此积分器调控单元211的操作原理为当系统动态范围符合输入信号的需求，且系统仍有空间进行调整时，此积分器调控单元211便会启动。已知积分器单元202由放大器提供增益而成，而提供足够的增益需要有电压、电流的提供，相当于造成功率的消耗，现在当系统输出足够大而符合信号处理的需求时，便会影响积分器调控单元211，使的控制积分器单元202以降低输出的增益，透过降低电压、电流来降低增益的此种作法，可以从电路阶层降低功率消耗来达到整体系统的优化。此处作法不限定于调整电压、电流或任何可以影响的放大器效能的参数或任何特定的机制，本发明所提出的概念旨在表达透过改变单一单元的功率消耗来达到整体系统的改善。因此，图2架构所示为本发明的自动更正动态范围的三角积分调制器架构的一种实现方式，其三角积分调制器的阶数可以依据设计需求任意调整至无数多阶，以图2举例而言，假设现在的阶数为三阶时，则交换电容式积分器(G1、G2及G3)的开关(S1、S2及S3)需同时开启，以便完成三阶三角积分调制器的信号转移函数，也就是藉由该系统阶数调控单元212来控制与各级的交换电容式积分器(G1～Gn)连接的开关(S1～Sn)进而调整系统的架构阶数，而其自我校正单元所述的算法也不限定以此或任何特定电路架构为基础，任何相近本发明的算法的设计架构皆应涵盖在本发明的权利要求里。

再者，本发明的数字校正技术乃基于信号的连续性亦即稳定的输入信号在一段输入时间T(时间T为时间间隔，其可由用户自行设定，根据信号特性设定时间T的大小，以确保校正的正确性)内并不会做剧烈的改变，如此一来可以透过监视信号的输出来判断现在系统是否符 合规定的要求，并进行调整。

此外，本发明还提出低功耗与效能用来弥补系统架构不够弹性的一个电路算法。当积分器外部架构已透过宽动态延伸算法达到系统面所能达成的最高效能之后，电路端的算法会因应信号检测器检测系统输出后自动启动。如图3所示，其处理步骤可应用于如图1所示步骤S114或步骤S117时进行信号质量的再确认。首先，于步骤S301，在算法一开始算法先检测系统的输出信号，确保系统输出信号质量符合规格，此系接续宽动态延伸算法进行信号质量的再确认，当规格符合系统要求之后会进到步骤S302，算法记录当前系数，并调降各级交换电容式积分器(G1、G2、…、Gn)增益；完成之后会进到步骤S303，算法判断调整后的信号是否符合规格，如果不符合则回到步骤S302算法进行调整增益的动作；反之如果符合系统的信号最低质量要求，则进到步骤S304算法，以维持使用在步骤S302中算法已记录的符合信号最低质量规定的系数，最后进入步骤S305，本算法结束。

本算法中步骤S301所提及的确保信号质量符合规格并不限定在特定规格，任意规格皆可由用户自行设计，故任何类似本算法的信号规格检测方式皆应包含至本算法中。步骤S302所提及的调降各级交换电容式积分器(G1、G2、…、Gn)增益由使用者自行设定调整的间隔，并不限定于某一个特定值。本算法采用为动态侦测与校正的技术，为达到减少系统与电路功耗的目的，透过不定时间间隔的检测，以确保本系统能在符合信号质量要求的情况下有最好的功耗效果。以上所述为针对现代电子产品尤其是达到使生医电子产品对于效能与电源寿命延伸的效果。

本发明另一特点在于建立对系统架构提供效能平衡的输出，当达到要求规格达到时，则会寻找其他系数阶数组合或调整放大器规格系数，以期在同样效能下能获得更低功耗的表现。以下揭示为低功耗放大器多组系数规格的建立。首先，如图4所示，在步骤S401使用者需要输入欲设计的放大器电路规格以供后续建立非理想效应模型的使用；在步骤S402则是将电路本身的非理想效应引入架构，其中可包含有限带宽、非线性转导值、有限单增益带宽、寄生电容、噪声等；在步骤S403则是将因为制程限制所造成的非理想效应如系数变异等纳入架构模拟的考虑；步骤S404则是建立步骤S402的电路非理想效应与S403与制程非理想效应的非理想效应模型，透过架构的模拟进行电路规格的分析；步骤S405是整合欲设计的电路规格与非理想效应模型，并模拟出电路设计参数分布范围；步骤S406会分析步骤S405产生的电路系数并透过模拟建立出电路设计参数与效能分布的对应曲线；步骤S407是将电路设计参数带入整体系统验证其效能是否符合步骤S406所建立的电路参数与效能分布的对应曲线；接着，如步骤S408，若验证完成，则表示考虑非理想效应所产生的系统系数对应效能的模型已经建 立，得到数组用于降低功耗的最佳电路规格与其设计参数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。