Σ-δ模数转换器的制造方法
【专利说明】Z-A模数转换器
[0001] 本发明涉及5：-A(sigma-delta)模数转换器（ADC)。其还涉及设计和生产 S-AADC的方法，并且涉及包括2 -AADC的数字控制回路。数字音频放大器是本发明具体 涉及的数字控制回路的实例。
[0002] 数字音频放大器放大数字输入信号并驱动一个或多个扬声器，以输出被放大的信 号。
[0003] 数字音频放大器可基于负反馈控制回路，其中模拟输出信号首先被模数转换器 (ADC)转换，然后在放大器的输入端与原始的数字输入信号进行比较。通过在前向通路中使 用足够高的增益，输出端处的模拟信号跟踪对应的数字输入。然而，这只有在ADC的延迟和 其噪声都保持最小的情况下才能获得。例如，如果延迟太高，可能发生不稳定的操作。
[0004] 由ADC执行的转换过程易受量化噪声的影响。使这种噪声的影响远离典型范围是 0-20kHz之间的关注的频带，具有关键的重要性。2-AADC在满足此需求方面是出色的候 选。
[0005] 图1阐述了现有技术中已知的典型的AADC。其包括滤波级1、量化级2、包含 数模转换器（DAC) 3的反馈通路、以及输入端的求和点4。
[0006] 在2 -AADC的输出端形成数字比特或字流。在单一比特ADC的情况下，其中比特 流被输出，比特流中相邻的"1"之间的间隔表明模拟输入信号的振幅，例如只包括"1"的比 特流的部分涉及输入信号的高振幅。由于使用的反馈，比特流的平均值跟踪模拟输入信号 的振幅。在多比特ADC的情况下，更多的分辨率可以用来表明由量化级决定的差别。然而， 对于多比特ADC，输出端处的时间平均信号同样跟随模拟输入信号的振幅。
[0007] 滤波级1被配置用于保持跟踪输入端的模拟信号与输出端的DAC转换得到的比特 /字流的差别。因此，输出的比特/字流中的信号内容与在滤波级1的通带内的模拟输入信 号的信号内容相同。滤波级1可以具有低通、高通和带通的特性。
[0008] 滤波级1可以包括积分器，其用于对输入信号（通常是模拟信号）与通过DAC3 反馈回的输出信号之间的误差进行积分。还可使用多个积分器进行高阶滤波。
[0009] 量化级2可以包括钟控比较器（clockedcomparator)，例如门控D锁存器5,其的 数字输入端被连接到滤波级1的输出端。每当时钟信号6为高时，锁存器5的输出将会是 数字的"〇"或"1"，这取决于积分器1的输出电平。
[0010] 量化的过程引入量化噪声。S-AADC的一个优点是，通过使用过采样，量化噪声在 关注的频带方面的贡献可以被控制。在图1中，过采样可以通过使用足够高的时钟速率实 现。
[0011] 另一个降低噪声的影响的已知技术是使用噪声整形技术，其中滤波器被用于前向 通路。例如，在更高阶的S-AADC中，多个积分器被用于提供合适的低通滤波器特性以提 高信噪比。
[0012] 已知的高阶S-AADC的弊端是，没有复杂的附加电路系统，多个积分器级的使用 固有地增加转换器的延迟。因此，在获得高信噪比与获得低延迟之间存在权衡。
[0013] 已知的2-AADC的另一个弊端是ADC的低分辨率，典型地大约在1-5比特，引入 了显著量的量化噪声，其只能使用滤波器移除。而该滤波引入延迟。
[0014] 本发明的目标是为AADC提供不同的拓扑结构，与现有技术中的2-AADC相 比，其允许获得低延迟同时保持或提高信噪比。
[0015] 该目标是由依据权利要求1所述的S-AADC实现的。依据本发明，2-AADC包 括前向通路，其被连接到包括滤波级和量化级的S_ △ADC的输入端，前向通路具有传递函 数Hff。转换器还包括从前向通路的输出端到2-AADC的输入端的反馈通路，其中反馈通 路包括用于转换前向通路的输出的DAC和数字滤波器。反馈通路本身具有传递函数Hfb。
[0016] S-AADC具有稳定的噪声传递函数NTF(z)，其由下式给出：
[0017]
[0018] 其中H是回路传递函数。以下，H(z)将被称为H。除非另有说明，类似的考虑将被 应用到其他传递函数。
[0019] NTF通常表示为包括分子多项式与分母多项式的比值的有理函数。分子多项式的 零点zz被称为零点，其中，如果abs(zz)〈1，零点被称为阻尼零点，而在其他情况被称为无阻 尼零点。类似地，分母多项式的零点zp被称为极点，其中，如果abs(zp)〈1，极点被称为阻尼 极点，而在其他情况被称为无阻尼极点。
[0020] 依据本发明，NTF具有至少一个阻尼零点，Hff包括H的所有无阻尼极点，并且Hfb包 括至少一个阻尼极点，其和所述至少一个阻尼零点中的一个相关联。本领域技术人员将认 识到，给定特定的传递函数，反馈或前向通路可以以各种方式执行。
[0021] 申请人认识到，可以通过将噪声整形所需的部分或全部滤波功能转移至反馈通路 来改善延迟。因在反馈通路中的增加滤波引起的增长的不稳定性风险被NTF中特定的选择 以及不同的极点分散到前向和反馈通路上的方式抵消。
[0022] NTF中的零点将变换成用于回路传递函数的极点。更特别的是，NTF中的阻尼或无 阻尼零点将会分别变成H中的阻尼或无阻尼极点。Hff包括H的所有无阻尼极点，如果有的 话。Hfb包括至少一个阻尼极点，该阻尼极点与NTF中的至少一个阻尼零点中的一个相对应。 其还包括Hff中还没有被实现的剩下的零点和极点。在反馈通路中只实现高频极点是有效 的，因为使用FIR滤波器可以更容易实现高频极点。
[0023] 依据本发明，噪声整形所需的滤波的实质部分是在反馈通路中实现的。通过分散 阻尼和无阻尼的极点和零点至前向和反馈通路上，ADC的稳定性可以得到保证。
[0024] 2 -AADC还可包括连接至前向通路的输出端的校正滤波器。该校正滤波器优选地 具有传递函数H_，其大体地以下式表示：
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[0026] 包含校正滤波器可能是有利的，以获得总的宽带单位增益传递，从而至少在关注 的频带获得低延迟。优选地，校正滤波器具有低通特性。
[0027] 当Hff和Hfb都具有低通特性时，可以实现用于低频信号的合适的噪声整形。然而，Hff和Hfb可具有带通或高通特性以提供适用于其他频率或频段的ADC。通常，通过将关注的 信号频带包括在Hff和Hfb的通带内，可以实现合适的噪声整形。
[0028] 如果转换器在Hff和Hfb中包括一阶低通滤波器或其特性，可以获得二阶噪声整形。 与只在Hff中实现二阶低通滤波器的转换器相比，延迟会更少。
[0029] 反馈通路可包括有限脉冲响应（FIR)数字滤波器，其具有与Hfb相关的脉冲响应相 近似的脉冲响应。此滤波器可以与DAC结合用于形成有限脉冲响应数模转换器（FIRDAC)， 也被称作具有半数字重建滤波器的DAC。
[0030] 在滤波级中的滤波可以通过一个或多个有源滤波器如积分器来实现。然而，滤波 可另外地或可选择地以一个或多个无源滤波器实现。依据本发明的AADC实现相对简 单配置的前向通路，因为需要的滤波的很大部分被有意地在反馈通路中实现。此配置可包 括比如在滤波级中的单个积分器，其简化了例如线性度要求。
[0031] 依据第二方面，本发明提供了数字控制回路。该回路包括连接至数字控制回路的 输入端的前向通路，该前向通路包括放大器，其用于放大数字输入信号和第二数字信号之 间的差别，以及用于将所放大的信号转换成模拟输出信号。其还包括从前向通路的输出端 到数字控制回路的输入端的反馈通路。反馈通路包括如上述定义的AADC，其用于将模 拟输出信号转换成第二数字信号。