专利名称：数模转换器的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种数模转换器(DAC)，该类型的数模转换器从数字信号中提供一种具有其平均值相应于模拟信号的脉冲宽度调制信号，以及涉及一种用于将数字信号转换成脉冲宽度调制信号的方法。
相关技术的讨论数模转换器的一个应用实例是音频信号的提供，其中将数字信号转换为脉冲宽度调制信号以控制扬声器。另一个应用实例涉及从数字信号中提供脉冲宽度调制信号以用于发动机的控制。
图1示出了用于控制例如扬声器或发动机之类的负载12的数模转换器10的一个示例。转换器10以频率F1来接收数字信号IN，所述数字信号IN对应于在确定数目的二进制位范围内(例如从16位到20位)的一系列已编码信息，并且以频率F1来提供用于驱动D类放大器16的具有两个状态的脉冲宽度调制信号PWM。因为PWM信号虽然是双态信号但是仍具有相应于数字信号的平均值，所以转换器10是数模转换器。放大器16提供用于控制负载12的已放大信号OUT。转换器10包括PCM转换单元18，也称作噪声整形器，其在第一输入端接收信号IN以及其以频率F1来向用于提供PWM信号的PWM转换单元20提供脉冲编码已调制数字信号PCM。PCM信号是允许对M+1个值或状态进行编码的数字信号(例如，在3或4个二进制位的范围内)。反馈环路21也将PCM信号提供给PCM转换单元18的第二输入端。PWM转换单元20由周期控制信号CLK控制，PWM信号从该周期控制信号CLK中被提供。
图2举例说明了根据由PCM信号所编码的不同状态的PWM信号的变化的示例。在当前示例中，示出了对9个状态进行编码的PCM信号(也就是说，对于M等于8)。频率F1对应于由PCM转换单元18来提供PCM信号的新值的频率。PWM信号是具有两个高状态和低状态的信号，以致于在持续时间T1(频率F1的倒数)的周期期间，处于高状态中的PWM信号的持续时间取决于PWM转换单元20所接收到的PCM信号。持续时间T2对应于PWM信号在一个周期期间可处于高状态或低状态的最短时间。持续时间T2的特征在于PWM转换单元20的分辩率，并且持续时间T2等于T1除以M以便PWM信号可以对PCM信号能够获得的M+1个状态进行编码。为了实现这种分辩率，控制信号CLK有必要具有频率F2，时间T2的倒数，且等于频率F1的M倍。
与D类放大器有关的这种数模转换器允许执行数字-模拟功率转换，同时确保高效率和对D类放大器的电气缺陷的优良抗扰性。
PCM转换电路18允许将具有确定数目的二进制位的数字信号变成具有较少位数的数字信号，同时拒绝由有用频带外面的这种转换所引入的一部分量化噪声。脉冲宽度调制是非线性过程，PCM信号向PWM信号的转换引起光谱串音成分的发生。因为PCM转换单元18所提供的PCM信号的功率的不可忽略的一部分是以有用频带外面的量化噪声的形式出现的，所以在PCM信号转换成PWM信号时串音成分引起有用频带中噪声电平的显著增大。因而在转换器输出端存在信噪比的衰减，换句话说，对于音频应用来说，存在由扬声器12所提供的音频信号的质量上的衰减。
有两种解决方案来避免此类缺陷第一种解决方案是通过增大PCM信号能够编码的状态的数目而在PCM转换单元18的输出端降低量化噪声。量化噪声降低允许降低由PWM调制而产生的串音成分，这限制了PWM信号质量的衰减。然而，PCM信号能够编码的状态的数目上的增加意味着PWM信号的分辩率的增大，以及因而需要PWM转换单元20的控制信号CLK的频率的增大。这种解决方案的缺点在于以高频来提供控制信号CLK需要使用昂贵的元件，例如锁相环。
图3示出了第二种解决方案，其在反馈环路21这一级提供了一个具有可变传递函数的单元22，所述反馈环路21在PCM转换单元18的输入端提供PCM信号，所述可变传递函数对PWM转换单元20的频率响应进行建模。因而PCM转换单元18过滤了存在于可变传递函数单元22所提供信号的有用频带中的噪声，所述PCM转换单元18相当于对被引入反馈环路21中的噪声的带通滤波器，所述可变传递函数单元在有用频带中提供具有容许噪声级的PWM信号。
这种解决方案的缺点在于它需要使用滤波单元22以对PWM转换单元20的频率响应进行建模。尤其是因为它按照PCM信号所获得的每一个值而进行改变，所以这种传递函数尤其难以建模。可变传递函数单元22因而通常需要很多逻辑操作和存储元件并且因而具备很大的体积和不可忽略的生产成本。
发明内容
本发明的目的在于得到一种将数字信号变成脉冲宽度调制信号的转换器以及一种用于将数字信号转换成脉冲宽度调制信号、允许提供一种具有高信噪比的脉冲宽度调制信号的方法。
本发明的另一个目的是为了提供一种仅由用于制造逻辑电路的部件所形成的数模转换器。
为了这个目的，提供了一种将数字信号变成脉冲宽度调制信号的转换器，包括第一转换单元，以第一频率接收连续的数字信号，每个数字信号具有一个第一确定数目的值，以及以第一频率提供第一中间信号，每个第一中间信号具有一个比第一确定数目更小的第二确定数目的值；执行第一中间信号的抽取以便以第二频率来提供第二中间信号的单元，所述第二频率等于第一频率除以第二确定数目减一；以及第二转换单元，以第二频率从第二中间信号中提供具有两个状态的脉冲宽度调制信号(PWM)，所述两个状态中任一的最短持续时间等于第一频率的倒数，第一转换单元接收所述脉冲宽度调制信号。
根据本发明的一个实施例，对于以第一频率进行交替的偶数和奇数周期来说，第二转换单元能够提供脉冲宽度调制信号，以致在每个偶数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个下降沿并且不包括上升沿，以及在每个奇数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个上升沿并且不包括下降沿。
根据本发明的一个实施例，第一转换单元能够在连续的数字信号与脉冲宽度调制信号之间的差异上执行滤波。
根据本发明的一个实施例，第一转换单元能够提供数字形式的第一中间信号。
根据本发明的一个实施例，转换器更进一步包括由该脉冲宽度调制信号控制的D类放大器。
本发明也提供了一种将数字信号转换成脉冲宽度调制信号的方法，包括以下步骤以第一频率接收连续的数字信号，每个数字信号具有第一确定数目的值；以第一频率从该连续的数字信号中提供第一中间信号，每个第一中间信号具有一个比第一确定数目更小的第二确定数目的值；执行第一中间信号的抽取以便以第二频率提供第二中间信号，所述第二频率等于第一频率除以第二确定数目减一；以及，以第二频率从第二中间信号中提供具有两个状态的脉冲宽度调制信号(PWM)，所述两个状态中任一的最短持续时间等于第一频率的倒数，第一中间信号也从所述脉冲宽度调制信号中被提供该。
根据本发明的一个实施例，在以第一频率进行的偶数与奇数周期的交替上提供脉冲宽度调制信号，以致在每个偶数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个下降沿并且不包括上升沿，以及在每个奇数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个上升沿并且不包括下降沿。
根据本发明的一个实施例，第一中间信号是从对连续的数字信号和脉冲宽度调制信号之间的差异上的滤波中提供的。
根据本发明的实施例，第一和第二中间信号是数字信号。
根据本发明的实施例，该方法更进一步包括利用该脉冲宽度调制信号来控制D类放大器的步骤。
有限制于特定实施例的描述，结合附图在下文中详细地论述了本发明的上述目的、特征和优点。
附图的简要说明如前所述，图1示出了一种用于控制包括传统数模转换器的负载的电路的示例；如前所述，图2示出了图1的转换器的特征信号的变化的示例；如前所述，图3示出了允许提供具有高信噪比的信号的数模转换器的常规示例；图4示出了形成根据本发明的数模转换器的示例；图5示出了图4的转换器的元件的更详细的示例；图6示出了由图4的数模转换器的改变而提供信号的过程；以及图7示出了数模转换器中使用根据本发明的转换器的示例。
详细说明为了清楚，在不同附图中对相同的元件指定相同的参考数字。
本发明包括向PCM转换单元的第二输入端直接提供由PWM转换单元提供的PWM信号。这允许PCM转换单元直接考虑由PWM转换单元引入的噪声。因为PCM转换单元相当于对反馈环路中所引入的噪声的带通滤波器，它在有用频带中对来自于PWM转换单元的噪声进行滤波，这确保了在数模转换器的有用频带中得到具有最小噪声电平的PWM信号。
图4示出了形成根据本发明的数模转换器30的示例。
类似于图1中所描述的转换器10，转换器30包括PWM转换单元20，其以频率F1来接收M+1个状态上的脉冲编码已调制信号PCM，以及以周期频率F1来提供脉冲宽度调制信号PWM。由PWM转换单元20所提供的PWM信号的分辩率是由频率为F2的控制信号CLK来决定的，所述频率F2等于F1的M倍。
不同于转换器10，转换器30包括PCM转换单元32，其以频率F2在第一输入端接收数字输入信号IN’以及以频率F2来提供脉冲编码已调制信号PCM’。信号PCM’被传输到抽取器24，抽取器24例如通过每M次采样选择一个信号PCM’的样本而执行因数M的抽取操作，以及抽取器24以频率F1向PWM转换单元20提供PCM信号。由反馈环路33将PWM信号提供给PCM转换单元32的第二输入端。因为PWM信号是以周期性方式以频率F1来提供的双态信号，并且其可以在最少等于频率F2的倒数的时间期限内占有同一个状态，所以可直接将其设为以频率F2来传送的具有相同数目的二进制位的数字信号的形式以作为对PCM转换单元32有用的信号IN’。不同于图1所示转换器10，信号IN’因而是以频率F2来提供的数字信号，频率F2等于F1的M倍。PCM转换单元32因而操作于比转换器10的PCM转换单元18高M倍的频率。然而，根据本发明的转换器30的PWM转换单元20可与图1所示转换器10同样地操作，并且尤其是可由频率为F2的控制信号CLK来控制。为了得到以大于频率F1的频率F2来操作的PCM转换单元32，必须修改PCM转换单元18的结构。
图5示出了形成根据本发明的PCM转换单元32的示例，示出了当希望它的工作频率增大时可带入常规PCM单元中的改进。举例来说，示出了执行5阶滤波且包括由一系列给定积分器34、36、38、40和42所形成的主线的PCM转换单元32。每个积分器34、36、38、40和42均放在分别具有放大系数为A/M、B/M、C/M、D/M和E/M的放大器44、46、48、50和52之前。加法器54在第一输入端接收由积分器34提供的信号并且在第二输入端接收由积分器38提供的、由具有放大系数F的放大器56放大了的信号，以及驱动放大器46。加法器58在第一输入端接收由积分器38提供的信号并且在第二输入端接收由积分器42提供的、由具有放大系数G的放大器60放大了的信号，以及驱动放大器50。PCM转换单元32包括减法器62，减法器62具有接收信号IN’的正输入端、接收已整形的PWM信号的负输入端以及驱动放大器44的输出端。积分器34、36、38、40和42的输出端分别经由具有相应放大系数H、I、J、K和L的放大器66、68、70、72和74而被提供到加法器64的相应输入端。加法器64驱动量化单元76，量化单元76以频率F2来提供位数小于信号IN’的位数的脉冲编码已调制数字信号PCM’。
以频率F1来操作的PCM转换单元18的结构的示例就是图5所示的结构，其中放大器44、46、48、50和52的放大系数分别是A、B、C、D和E，其他放大系数不变。为了以等于F1的M倍的频率F2来操作PCM转换单元32，因而一种可能性是通过将PCM转换单元18的放大系数除以M而修改所述的PCM转换单元18的某些放大系数。在当前示例中，为了得到以频率F2来操作的且具有传递函数基本上等于以频率F1来操作的PCM转换单元18的传递函数的PCM转换单元，一种可能性是将用于以频率F1来操作的放大器44、46、48、50和52的放大系数除以因数M。这确保了操作于频率F2的PCM转换单元32的稳定性。
本发明提供了一种特定的替换实施例，其允许降低PWM信号的转换频率。根据这样一个替换实施例，将偶数或奇数的索引连续地分配给频率为F1的连续周期，其中PWM转换单元20以所述频率F1来提供新的PWM信号。对于偶数索引的周期，PWM转换单元20提供关于图2中所示的未修改的PWM电路，对于奇数周期，PWM转换单元20提供一种PWM信号，所述PWM信号是本应提供的信号的时间对称。
在图6中，已经示出了当PCM信号能够对9个状态进行编码时所要传送的PWM信号。在右侧上，示出了奇数周期所提供的PWM信号，而在左侧示出了偶数周期所提供的PWM信号。
利用这种PWM转换，对于每个周期来说，最多可以观察到一次在高状态与低状态之间的变换。利用常规PWM转换，在一个周期中可能有两次变换，一次变换是在该周期期间，而另一次变换是在该周期刚开始(或在最后)。每个周期内变换次数降低的事实允许降低信号PWM的转换频率。这在PWM转换单元20驱动D类放大器时尤其有益，所述D类放大器的消耗直接与PWM信号的转换频率有关系。因而D类放大器的消耗降低了，这允许提高它的功率系数。
由于根据本发明的数模转换器30的结构的关系，实现PWM转换单元20的先前描述实施例的变化是可以预见的，在所述数模转换器30的结构中PWM信号由反馈环路提提供PCM转换单元32的输入端。实际上，替换PWM转换单元20的使用是难于利用先前描述的常规数模转换器结构来预见的，因为它倾向于在PWM信号的有用频带中增大噪声电平。因为PCM转换单元32拒绝这种出自有用频带的噪声，所以这不干扰根据本发明的数模转换器30。
在本发明中，虽然PCM转换单元32操作在比常规数模转换器的工作频率更高的频率F2，并因而更加浪费，但是由于PCM转换单元32的消耗相对于D类放大器16的消耗而言是低的，因此这是一种少数的偏见。
本发明的优点在于它可完全地用当前常用于形成逻辑电路的部件来形成并且可利用少量部件(栅极、操作机构，存储器元件)来实现。
本发明的另一个优点在于它允许不增大PWM转换单元的分辩率，那就是说，不增大PWM转换单元的控制信号的频率，而增大PWM转换单元的控制信号的频率将需要使用诸如锁相环路之类的昂贵的部件以提供控制信号。
图7示出了数模转换器中使用根据本发明的转换器30的示例，所述数模转换器接收数字信号IN’并提供模拟信号OUT以控制负载(未示出)，例如扬声器或发动机。转换器30提供的PWM信号驱动放大器82，所述放大器82连接到参考电压VREFP和REFN的两个电源。放大器82提供信号PWM’，信号PWM’驱动暂时连续的低通滤波器84。滤波器84向功率放大器86(例如A-B类放大器)提供信号PWM”，功率放大器86提供信号OUT。
放大器82是低功率放大器。它根据以下关系式将数字信号PWM转换成低功率的模拟信号PWM’PWM’＝PWM×VREFP假定接收信号PWM’的低通滤波器84具有强输入阻抗，则放大器82提供的电流是低的。参考电压源VREFP是能够提供“自然”电压的电源，所述“自然”电压允许得到高信噪比SNR。更进一步，可选择电压源VREFP以得到例如大约50dB的非零电源干扰抑制比(PSRR)。因为它允许直接使用移动式电话电池来为数模转换器供电，所以这是尤其有益的。
连续时间低通滤波器84例如是一个第二或第三级的滤波器并且允许抑制模拟信号PWM’的宽带噪声以仅保持所需信号(例如在音频带中出现的信号)。滤波器84包括例如运算放大器这样的放大器。因此，对于不受包含在模拟信号PWM’之中的宽带噪声的存在(由于高频噪声的串音的风险)而改变的这样一个放大器的性能来说，有益地是低通滤波器在其输入端至少包括一个RC型无源滤波器。
当然，本发明很可能具有所属领域技术人员容易地想到的各种变更、修改和改进。尤其是，可利用不同于图5所示结构的PCM转换单元来实现本发明。尤其是，PCM转换单元的阶适合于数字信号IN’的期望处理。
这种变更、修改和改进是本公开的一部分，且在本发明的精神和范围之内。因此，以上描述是仅是以示例的方式，而不是为了限制。本发明仅限制于以下权利要求及其等价体所定义的那样。
权利要求
1.一种将数字信号变成脉冲宽度调制信号的转换器，包括第一转换单元(32)，以第一频率(F2)接收连续的数字信号(IN’)，每个数字信号具有一个第一确定数目的值，以及以第一频率提供第一中间信号(PCM’)，每个第一中间信号具有一个比第一确定数目更小的第二确定数目的值；执行第一中间信号的抽取以便以第二频率(F1)来提供第二中间信号(PCM)的单元(24)，所述第二频率等于第一频率除以第二确定数目减一；以及第二转换单元(20)，以第二频率从第二中间信号中提供具有两个状态的脉冲宽度调制信号(PWM)，所述两个状态中任一的最短持续时间等于第一频率的倒数，第一转换单元接收所述脉冲宽度调制信号。
2.权利要求1的转换器，其中对于以第一频率(F2)进行交替的偶数和奇数周期来说，第二转换单元(20)能够提供脉冲宽度调制信号(PWM)，以致在每个偶数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个下降沿并且不包括上升沿，以及在每个奇数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个上升沿并且不包括下降沿。
3.权利要求1的转换器，其中第一转换单元(32)能够在连续的数字信号(IN’)和脉冲宽度调制信号(PWM)之间的差异上执行滤波。
4.权利要求1的转换器，其中第一转换单元(32)能够提供数字形式的第一中间信号(PCM’)。
5.权利要求1的转换器，更进一步包括由该脉冲宽度调制信号(PWM)控制的D类放大器(16)。
6.一种将数字信号转换成脉冲宽度调制信号的方法，包括以下步骤以第一频率(F2)接收连续的数字信号(IN’)，每个连续的数字信号(IN’)具有一个第一确定数目的值；以第一频率从该连续的数字信号中提供第一中间信号(PCM’)，每个第一中间信号(PCM’)具有一个小于第一确定数目的第二确定数目的值；执行第一中间信号的抽取以便以第二频率(F1)来提供第二中间信号(PCM)，所述第二频率等于第一频率除以第二确定数目减一；以及以第二频率从第二中间信号中提供具有两个状态的脉冲宽度调制信号(PWM)，所述两个状态中任一的最短持续时间等于第一频率的倒数，第一中间信号也从所述脉冲宽度调制信号中被提供。
7.权利要求6的方法，其中在以第一频率(F2)进行的偶数和奇数周期的交替上提供脉冲宽度调制信号(PWM)，以致在每个偶数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个下降沿并且不包括上升沿，以及在每个奇数周期上脉冲宽度调制信号最多包括一个上升沿并且不包括下降沿。
8.权利要求6的方法，其中第一中间信号(PCM’)是从对连续的数字信号(IN’)和脉冲宽度调制信号(PWM)之间的差异上的滤波中提供的。
9.权利要求6的方法，其中第一和第二中间信号(PCM’，PCM)是数字信号。
10.权利要求6的方法，更进一步包括利用该脉冲宽度调制信号(PWM)控制D类放大器(16)的步骤。
全文摘要
一种将数字信号变成脉冲宽度调制信号的转换器，包括第一转换单元，其以第一频率接收连续的数字信号，每个数字信号具有一个第一确定数目的值，以及以第一频率提供第一中间信号，每个第一中间信号具有一个比第一确定数目更小的第二确定数目的值；执行第一中间信号的抽取以便以第二频率来提供第二中间信号的单元，所述第二频率等于第一频率除以第二确定数目减一；以及第二转换单元，以第二频率从第二中间信号中提供具有两个状态的脉冲宽度调制信号，所述两个状态中任一的最短持续时间等于第一频率的倒数，第一转换单元接收所述脉冲宽度调制信号。
文档编号H03M1/86GK1878000SQ20061008734
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月8日 优先权日2005年6月8日
发明者弗雷德里克·鲍勒特, 吉尧姆·康格尼亚德 申请人:道芬综合公司