具有大输入阻抗的甚高动态范围开关电容器adc的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及模数转换器(ADC)，并且更具体地涉及能够处理大输入信号范围同时具有高输入阻抗以用于例如在音频系统中容忍在大输入信号电平处的增加的失真和噪声的应用的开关电容器ADC。
【背景技术】
[0002]高性能音频记录技术的趋势是支持声压级(SPL)的甚高动态范围，声压级通常与作为标准参考级的人类听觉阈值相比较而以dB为单位被测量。在20 μ Pa(rms)的压力级处的可听度下限被定义为OdBSPL的SPL。可以相对于这一水平进行声级测量。例如，IPa (rms)的压力级等于94dBSPL的SPL。SPL上限可以不被清楚地定义并且能够取决于期望的应用范围。工程音频系统或者麦克风系统的一个问题是提供适应大动态范围的、具有低功耗的架构。因此，需要设计音频系统和部件以高效地处理高SPL水平。
【附图说明】
[0003]图1是图示根据所公开的各个方面的A/D转换器系统的框图；
[0004]图2是图示根据所描述的各个方面的音频系统的框图；
[0005]图3是图示根据所描述的各个方面的另一 A/D调制器系统的框图；
[0006]图4是图示根据所描述的各个方面的关于输入电压的信噪功率的图；
[0007]图5是图示根据所描述的各个方面的调制器的另一框图；
[0008]图6图示根据所描述的各个方面的另一音频系统；
[0009]图7是根据所描述的各个方面的仿真图；以及
[0010]图8是图示根据所描述的各个方面的调制器的另一方法的流程图。
【具体实施方式】
[0011]现在将参考附图描述本公开内容，其中相似的附图标记始终用于指代相似的要素，并且其中所图示的结构和设备未必按比例绘制。如本文中所使用的，术语“部件”、“系统”、“接口”等意在指代计算机相关的实体、硬件、软件(例如执行的)和/或固件。例如部件可以是具有处理设备的电路、处理器、在处理器上运行的进程、控制器、对象、可执行文件、程序、存储设备、计算机、平板电脑和/或移动电话。仅作为说明，在服务器上运行的应用和服务器也可以是部件。一个或多个部件可以驻留在进程中，并且部件可以被局限在一个计算机上和/或分布在两个或多个计算机之间。本文中可以描述元件的集合或者其他部件的集合，其中术语“集合”可以被解释为“一个或多个”。
[0012]另外，这些部件可以从具有存储在其上的各种数据结构(诸如具有模块)的各种计算机可读存储介质来执行。部件可以经由本地和/或远程进程诸如根据具有一个或多个数据分组(例如本地系统中、分布式系统中和/或通过网络(诸如因特网、局域网、广域网或者类似网络)(经由信号与另一系统)来自与另一部件交互的一个部件的数据)的信号来通信。
[0013]作为另一示例，部件可以是具有由电或电子电路操作的机械零件提供的具体功能的装置，其中电或电子电路可以由一个或多个处理器执行的软件应用或固件应用来操作。一个或多个处理器可以在装置内部或者外部并且可以执行软件或固件应用的至少部分。作为又一示例，部件可以是通过电子部件提供具体功能而没有机械零件的装置；电子部件可以在其中包括执行软件和/或固件(至少部分给予电子部件的功能)的一个或多个处理器。
[0014]词语“示例性”的使用意在以具体方式呈现概念。如本申请中所使用的，术语“或者”意在表示包括性的“或者”而非排他性的“或者”。也就是，除非另外规定或者根据上下文很清楚，否则“X采用A或者B”意在表示自然包括性排列中的任何一个。也就是，如果X采用A ;X采用B ;或者X采用A和B 二者，则“X采用A或者B”在以上情况中的任何情况下满足。另外，冠词“一个(a)”和“一个(an)”如本申请和所附权利要求中所使用地通常应当被理解为表示“一个或多个”，除非另外规定或者根据上下文很清楚其指代单数形式。另外，为了扩展术语“包括(including)，，、“包括(includes) ”、“具有(having) ”、“具有(has)，，、“具有(with) ”或者其变型在详细描述或权利要求中使用，这样的术语以类似于术语“包括(comprising) ”的方式意在包括。
[0015]考虑到用于运行具有大动态范围和低功率的音频部件的音频系统的上述缺陷，描述一种音频系统、开关电容器调制器或者模数转换器(ADC)，其生成对噪声和失真的折中以促进在高输入电平处的信噪失真比(SNDR)，该信噪失真比低于与理想转换器的SNDR相比在相同信号电平处理论上可获得的SNDR。例如，音频系统的开关电容器调制器包括接收诸如模拟输入信号等输入信号并且将输入调制成经调制的数字输出的调制路径。反馈路径将经调制的输出结合到调制器路径的输入端子。浮动电压源反馈数模转换器(DAC)被配置成根据在模拟输入处的输入摆动生成浮动电压源。DAC基于输入信号值以及来自数字输出的控制信号来修改浮动电压作为反馈电压或者滑动电压。反馈电压作为浮动电压被提供给调制器路径并且通过DAC被动态地调节以最小化在求和节点处的输入信号摆动。例如，响应于输入信号电压幅度值的增加，反馈电压被增加并且由反馈DAC在求和节点处施加负反馈。
[0016]高动态范围系统通常在更高输入信号电平处不要求大的SNDR。例如声学系统通常在?IlOdBSPL以上的SPL水平处不要求大的SNDR。所公开的系统因此可以操作以对可获得的SNR进行折中，其很大程度上是由于模拟噪声造成的。由于人类听觉感知，相对大的失真水平(诸如在120dBSPL以上的SPL水平处的总谐波失真(THD))可以是可接受的，其使得能够进一步优化音频系统。下面参考附图进一步描述本公开内容的另外的方面和细节。
[0017]图1图示根据所描述的各个方面的生成到用于反馈电压的调制器路径的浮动电压源的A/D调制器系统的示例。调制器系统100操作以通过在求和节点108中缓解这些摆动以提供比被接收至调制器路径102的输入明显更小的信号值来经由DAC 106适应在模拟输入110处的大电压摆动。调制器系统100包括诸如Δ-Σ调制器之类的调制器或者其他类似的调制器，其能够操作以同时(几乎同时)处理一个比特或者多个比特而使用调制器路径102和反馈路径104生成经调制的信号输出112。
[0018]调制器系统100包括调制器路径102和反馈路径104以形成调制器设备，调制器设备作为编码过程的一部分通过每个路径内的一个或多个调制器部件生成经调制的数字输出112，以便利将模拟信号编码成数字信号。系统100的每个路径(调制器路径102和反馈104)包括调制部件，调制部件被耦合在路径或者通信信道内以对模拟输入110进行转换、整形、滤波、采样或调制以生成经调制的数字输出112。路径可以包括一个或多个通信信道或者通信管道，其可以包括类似部件作为用于处理的一个另外部件。
[0019]模拟输入110可以与音频信号(诸如取决于通过传感器(诸如微电机传感器(MEMS)、声学传感器或者其他类似传感器部件)对来自音频源的音频信号或者如下文中进一步描述和说明的经缓冲的传感器信号的检测而变化的连续音频波)成比例。与调制器系统100的这样的组合形成用于在例如移动设备(诸如移动电话、平板计算机或者笔记本PC或者其他类似设备)中的音频记录中使用的数字麦克风。因此，麦克风可以被配置成使用高达HOdBSPL或更高的SPL操作，并且可以向例如系统微控制器单元递送数字输出112。结合传感器设备(驻极体或者MEMS麦克风)，系统100和用于缓冲MEMS输出或其他传感器输出的模拟处理块在ASIC(未示出)上的集成可以执行这样的音频系统的信号读出以及模数转换。
[0020]—方面，可以经由调制器100实现大约HOdBSPL的最大SPL，并且因此用于麦克风的动态范围目标可以是例如大约140dB。这一目标可以动态地变化如增加或减小，例如被释放以在较低SPL水平处允许一定量的噪声。包括系统100的麦克风设备例如能够递送相对于94dBSPL(IPa)的SPL超过66dB的信噪比(SNR)。对于该信噪比，例如，最低可检测SPL可以是与大约112dB的动态范围对应的28dBSPL，同时具有大约HOdBSPL的最大输入水平。还预想了如本领域普通技术人员能够理解的其它范围。
[0021]反馈路径104耦合到经调制的数字输出112并且经由求和节点108耦合到模拟输入110，并且可以操作以提供预定阈值到对噪声功率的折中被接受的SNR水平上。例如，DAC 106经由操作以根据输入电压摆动来动态地影响输入信号的求和节点108来将反馈路径104集成到调制器路径102。假定电压模式操作，DAC 106被配置成作为到调制器路径102的电压源来操作，并且根据经调制的数字输出112向求和节点108生成移位求和节点电压值(例如幅度)的反馈电压Vfeedback0
[0022]DAC 106操作以根据经调制的输出112来调节反馈电压Vfeedback，其进一步经由求和节点108反映在模拟输入110处的模拟信号的电压值或者电压摆动。例如，如果输入信号电压的值增加，则浮动电压增加并且DAC 106生成负反馈电压并且负反馈电压由于经调制的数字输出112的反馈而经由求和节点108被施加到调制器路径102。此外，如果输入电压增加或者变为负，则DAC 106可以操作以生成例如包括被配置成维持在调制器路径102的输入处的电压信号的值的负反馈电压。
[0023]DAC 106可以便利取决于在模拟输入110处的模拟信号(模拟输入电压)的信号值的模拟噪声和失真贡献的生成，并且因此能够通过折中在大约10dBSPL或更大(例如大约112dB)处的SNR或者折中在大约104dBSPL或更大处的THD来折中在较高输入信号电平处的经调制的输出112的SNDR(THD)/SNR水平。因此，DAC 106被配置成预先确定SNDR/SNR上的顶盖或者极限集合，使得随着输入信号功率增加，由调节器提供SDNR/SNR水平或者其被部分地抑制水平的增加。例如，可以诸如在大约_36dB全尺度(dBFS)的特定输入电压功率电平处由DAC生成SDNR/SNR的顶盖。由DAC 106提供的顶盖或者极限因此可以抑制或者减轻超过这些参考级的SDNR/SNR的进一步增加。因此，在信号功率增加时，允许噪声功率或者THD的增加，其操作以降低或者阻止SNDR/SNR水平。这些折中例如在下面被进一步详述并且可以操作以限制、缓解或者减小在输入信号电平增加到预