具有自我校正的三角积分调变器及其校正方法
【专利摘要】一种具有自我校正的三角积分调变器及其校正方法，其中三角积分调变器包括一多工器、一加总电路、一回路滤波器、一量化器、一数字模拟转换器以及一校正逻辑电路。多工器用以接收模拟输入信号与共模信号，并依照选择信号输出多工信号。加总电路用以接收多工信号与模拟回授信号，并输出误差信号。回路滤波器用以接收误差信号，并输出滤波后信号。量化器用以接收滤波后信号，并输出原始数字输出信号。数字模拟转换器用以接收原始数字输出信号，并依照相位指示信号与旋转数信号输出模拟回授信号与旋转后数字输出信号。校正逻辑电路用以接收旋转后数字输出信号与模式指示信号，并输出选择信号、相位指示信号、旋转数信号与校正后数字输出信号。
【专利说明】具有自我校正的三角积分调变器及其校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明关于一种三角积分调变器（delta-sigma modulator ;DSM)，特别关于具有 自我校正的三角积分调变器及其校正方法。
【背景技术】
[0002] 参照图1，三角积分调变器（delta-sigma modulator ;DSM) 100接收一模拟输入 信号，并以明显高于模拟输入信号的频宽的取样率将此模拟输入信号转换成一数字输出信 号。三角积分调变器100包括一减法电路101、一回路滤波器102、一量化器103以及一数 字模拟转换器（digital-analog converter ;DAC) 104。数字模拟转换器104将数字输出信 号转换成一模拟回授信号。减法电路101产生代表模拟输入信号与模拟回授信号之间的差 距的一误差信号。回路滤波器102对误差信号进行滤波并产生一滤波后信号。量化器103 量化滤波后信号以生成数字输出信号。三角积分调变器100频谱塑形量化器103的量化噪 声，致使量化噪声成为数字输出信号中大部份的高频噪声。只要取样率足够高于模拟输入 信号的频宽，这些频谱塑形后的高频噪声成分大多在模拟输入信号的频宽之外，因此能够 将其滤除。如此一来，则允许高解析度的模拟数字转换能不使用高解析度的量化器。其中， 三角积分调变器的原理为本领域所熟知，故于此不再赘述。于此，量化器103可为1位元量 化器或多位元量化器。其中，多位元量化器优于1位元量化器。然而，当量化器103为多位 元量化器时，由于数字模拟转换器104必须将量化器103所产生的数字输出信号转换成模 拟回授信号，因此数字模拟转换器104亦需为多位元数字模拟转换器。可行的多位元数字 模拟转换器为非线性，然而其非线性的特性会促成三角积分调变器100的误差，因而降低 其性能。
[0003] 动态元件匹配技术（例如：数据加权平均（data weighted averaging ;DWA))能用 以频谱塑形由多位元数字模拟转换器的非线性特性所造成的误差，致使这些误差亦成为高 频噪声。在动态元件匹配技术有效地抑制多位元数字模拟转换器的非线性特性所造成的 静态误差时，这些技术仰赖在采用多位元数字模拟转换器的组成元件上的动态且频繁的变 化。如此会导致动态误差的增加，因而降低三角积分调变器的性能。
【发明内容】
[0004] 鉴于以上的问题，本发明在于提供一种具有自我校正的三角积分调变器及其校正 方法，其能在不借助于在采用数字模拟转换器的组成元件上的动态且频繁的变化的情况 下，修正三角积分调变器的多位元数字模拟转换器的非线性所造成的误差。
[0005] 在一实施例中，三角积分调变器包括一多工器、一加总电路、一回路滤波器、一量 化器、一数字模拟转换器以及一校正逻辑电路。多工器用以接收模拟输入信号与共模信号， 以及依照选择信号输出多工信号。加总电路用以接收多工信号与模拟回授信号，以及输出 误差信号。回路滤波器用以接收误差信号，以及输出滤波后信号。量化器用以接收滤波后 信号，以及输出原始数字输出信号。数字模拟转换器用以接收原始数字输出信号，以及输出 模拟回授信号与旋转后数字输出信号。校正逻辑电路用以接收旋转后数字输出信号与模式 指示信号，以及输出校正后数字输出信号。其中，共模信号可为一固定电位信号。校正逻辑 电路还可输出选择信号、相位指示信号与旋转数信号。数字模拟转换器依照相位指示信号 与旋转数信号输出模拟回授信号与旋转后数字输出信号。
[0006] 在一实施例中，一种三角积分调变器的自我校正方法包括将一三角积分调变器内 的多位元数字模拟转换器设为第一状态、计算三角积分调变器的输出的第一均值、将多位 元数字模拟转换器设为第二状态、计算三角积分调变器的输出的第二均值、依照第一均值 与第二均值之间的差距获得多位元数字模拟转换器的一校正权重、以及依照多位元数字模 拟转换器的校正权重基于三角积分调变器的输出的加权总和输出三角积分调变器的校正 后数字输出信号。
[0007] 在另一实施例中，一种三角积分调变器的自我校正方法包括依照选择信号在模拟 输入信号与共模信号之间择一产生多工信号、将模拟回授信号与多工信号相减以产生误差 信号、对误差信号进行滤波以产生滤波后信号、量化滤波后信号以产生原始数字输出信号、 依照相位指示信号与旋转数信号旋转原始数字输出信号成旋转后数字输出信号、利用复数 个1位元数字模拟转换器转换旋转后数字输出信号成模拟回授信号、执行旋转后数字输出 信号的权重加总以产生校正后数字输出信号、以及藉由设定旋转数信号以及计算校正后数 字输出信号的第一均值与第二均值之间的差距来校正这些1位元数字模拟转换器中之一 的权重。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] [图1]为习知的三角积分调变器的功能方块图。
[0009] [图2]为根据本发明一实施例的具有自我校正的三角积分调变器的功能方块图。 [0010][图3]为适用于图2的三角积分调变器的数字模拟转换器的功能方块图。
[0011][图4]为适用于图3的旋转器的以福利罗（Verilog)语言描述的实例的示意图。
[0012] [图5]为根据本发明一实施例的三角积分调变器的自我校正方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013] 于此，说明书揭示多个实施例，但应可了解的是本发明可以多种方法实现，并不限 于下述的特定范例或实现这些范例的任意特征的特定方法。在其他实例中，并未显示或描 述公众所知悉的细节，以避免混淆本发明的技术特征。
[0014] 图2为根据本发明一实施例的具有自我校正的三角积分调变器的功能方块图。为 了方便说明，以下以具有3位元（即，8位等）量化作用的具有自我校正的三角积分调变 器（delta-sigma modulator ;DSM)为例进行说明，但本发明不限于此。请参照图2,三角积 分调变器200包括一加总电路201、一回路滤波器202、一量化器203、一数字模拟转换器 (digital-analog converter ;DAC) 204、一校正逻辑电路205与一多工器206。加总电路 201、回路滤波器202、量化器203与数字模拟转换器204依序串接成一回路。校正逻辑电路 205电性连接数字模拟转换器204与多工器206。多工器206电性连接加总电路201。多 工器206接收一模拟输入信号VIN与一共模信号VCM，以及依照一选择信号FG_CAL输出一 多工信号SIN。加总电路201用以接收多工信号SIN与一模拟回授信号SFB，以及输出一误 差信号E。回路滤波器202接收误差信号E，以及输出一滤波后信号F。量化器203接收滤 波后信号F，以及输出一 7位元的原始数字输出信号Q[6:0]。原始数字输出信号Q[6:0]为 编码成代表3位元8位等量化作用的7位元字的温度计码（thermometer-code)。数字模拟 转换器204接收原始数字输出信号Q [6:0]，以及依照一相位指示信号PH与一旋转数信号R 输出模拟回授信号SFB与一 8位元的旋转后数字输出信号D [7:0]。校正逻辑电路205接收 旋转后数字输出信号D [7:0]，以及依照一模式指示信号MODE输出选择信号FG_CAL、相位指 示信号PH、旋转数信号R与一校正后数字输出信号D0UT。
[0015] 当选择信号FG_CAL为逻辑1时，三角积分调变器200为一前景校正模式；在此例 中，共模信号VCM受选为多工信号SIN。反之，则模拟输入信号VIN受选为多工信号SIN。应 注意的是，共模信号VCM为一固定电位信号，并且此固定电位信号具有约落在数字模拟转 换器204的输出范围的中间位置的振幅。亦应注意的是，在图2中的共模信号VCM能以其 他振幅的固定电位信号替代。在一实施例中，回路滤波器202包括一积分器（integrator)。 在另一实施例中，回路滤波器202包括串接的多个积分器。在一实施例中，量化器203为一 3位元快闪（flash)模拟数字转换器，并且此3位元快闪模拟数字转换器包括7个比较器。 这些比较器比较滤波后信号F与7个参考电位，以产生7位元的原始数字输出信号Q[6:0]。 此原始数字输出信号Q[6:0]是代表滤波后信号F的电位的温度计码。加总电路201、回路 滤波器202、量化器203与温度计码为三角积分调变器中熟知元件，故于此不再赘述。
[0016] 图3为适用于图2的三角积分调变器200的数字模拟转换器的功能方块图。参照 图3,数字模拟转换器300适用以实现图2的三角积分调变器200中的数字模拟转换器204。 数字模拟转换器300包括8个1位元数字模拟转换器320?327、一旋转器330与一加总 电路340。8个1位元数字模拟转换器320?327耦接在旋转器330与加总电路340之间， 并且旋转器330、8个1位元数字模拟转换器320?327与加总电路340依序串接在量化器 203与加总电路201之间。旋转器330接收7位元的原始数字输出信号Q[6:0](即，7位元 Q[0]?Q [6])，并且依照相位指示信号PH与旋转数信号R输出8位元的旋转后数字输出信 号D [7:0](即，8位元D [0]?D [7])。8个1位元数字模拟转换器320?327相应并分别接 收旋转后数字输出信号D [7:0]，以及相应并分别输出8个模拟输出信号A0?A7。加总电 路340接收8个模拟输出信号A0?A7,并且输出模拟回授信号SFB。
[0017] 参照图3,旋转器330是依照相位指示信号PH与旋转数信号R产生旋转后数字输 出信号D[7:0]的一组合逻辑区块。相位指示信号PH为不是1就是0的二进制指标。旋 转数信号R为不低于〇且不大于6的整数。旋转后数字输出信号D [7:0]是藉由执行原始 数字输出信号Q[6:0]的旋转并且产生恒为逻辑0的一附加位元。当相位指示信号PH为 〇时，旋转后数字输出信号的最高位元（D[7])为恒设为逻辑0的一附加位元，并且旋转器 330依照旋转数信号R执行原始数字输出信号Q[6:0]的旋转以产生旋转后数字输出信号 D[7:0]。若旋转数信号R为0,无旋转执行。若旋转数信号R为1，以1位旋转原始数字输 出信号Q[6:0]，例如：将7' bOOOllll旋转成7' bOOlll 10。若旋转数信号R为2,以2位元 旋转原始数字输出信号Q[6:0]，例如：将7' bOOOllll旋转成7' bOllllOO。若旋转数信号 R为3,以3位元旋转原始数字输出信号Q[6:0]，例如：将7'b0001111旋转成7'bllll000。 以此类推之。
[0018] 当相位指示信号PH为1时，除了要将旋转后数字输出信号中的最高位元（D[7]) 与旋转后数字输出信号中的第R+1位元（D[R])交换，旋转后数字输出信号D[7:0]与相位 指示信号PH为0时相同。举例而言，假若在相位指示信号PH为0且旋转数信号R为1时， 旋转后数字输出信号D[7:0]为8'bOOOllllO,然后在相位指示信号PH为1且旋转数信号 R为1时，旋转后数字输出信号D[7:0]则为8' blOOlllOO。若于相位指示信号PH为0且 旋转数信号R为2时，旋转后数字输出信号D[7:0]为8' bOOllllOO,然后于相位指示信号 PH为1且旋转数信号R为2时，旋转后数字输出信号D[7:0]则为8'bl0111000。图4是 以福利罗（Verilog)语言（其为一种硬件描述语言）描述的旋转器330的一实施例的示意 图。参照图4,数理上，若相位指示信号PH为0,则D [n] =Q [mod (n -R, 7)],并且D [7]= 〇。其中，η为0?6。若相位指示信号ΡΗ为1，则除了于n = R时D[R] =0,否则D[n]= Q[mod(n -R，7)]，而 D[7] =0。其中，η为 0 ?6。
[0019] 参照图3,模拟回授信号SFB是8个1位元数字模拟转换器320?327的输出的总 和。数理上，模拟回授信号SFB能写成下式（1)或式（2)。
[0020]
【权利要求】
1. 一种三角积分调变器，包括： 一多工器，用以接收一模拟输入信号与一共模信号以及依照一选择信号输出一多工信 号； 一加总电路，用以接收所述多工信号与一模拟回授信号以及输出一误差信号； 一回路滤波器，用以接收所述误差信号以及输出一滤波后信号； 一量化器，用以接收所述滤波后信号以及输出一原始数字输出信号； 一数字模拟转换器，用以接收所述原始数字输出信号以及依照一相位指示信号与一旋 转数信号输出所述模拟回授信号与一旋转后数字输出信号；以及 一校正逻辑电路，用以接收所述旋转后数字输出信号与一模式指示信号以及输出所述 选择信号、所述相位指示信号、所述旋转数信号与一校正后数字输出信号。
2. 根据权利要求1所述的三角积分调变器，其中所述数字模拟转换器包括：一旋转器， 以依照所述相位指示信号与所述旋转数信号将所述原始数字输出信号旋转成所述旋转后 数字输出信号。
3. 根据权利要求2所述的三角积分调变器，其中所述数字模拟转换器还包括：复数个1 位元数字模拟转换器，以依照所述旋转后数字输出信号输出所述模拟回授信号。
4. 根据权利要求3所述的三角积分调变器，其中所述校正逻辑电路藉由执行所述旋转 后数字输出信号的一加权总和与使用每一所述1位元数字模拟转换器的复数个校正权重 来输出所述校正后数字输出信号。
5. 根据权利要求4所述的三角积分调变器，其中每一所述校正权重是藉由设定对应的 所述旋转数信号与计算于所述相位指示信号为一第一状态时所述校正后数字输出信号的 一第一均值与于所述相位指示信号为一第二状态时所述校正后数字输出信号的一第二均 值之间的差距。
6. 根据权利要求5所述的三角积分调变器，其中所述校正逻辑电路依照所述模式指示 信号以复数个运作模式中之一运作，且所述运作模式包括一重置模式、一前景校正模式、一 背景校正模式与一闲置模式。
7. 根据权利要求6所述的三角积分调变器，其中在所述前景校正模式与所述背景校正 模式中的任一模式下，所述旋转数信号的值连续地改变，以及针对所述旋转数信号的相同 值，于计算所述校正后数字输出信号的所述第一均值的期间，所述相位指示信号设为所述 第一状态，而于计算所述校正后数字输出信号的所述第二均值的期间，所述相位指示信号 设为所述第二状态。
8. -种三角积分调变器的自我校正方法，包括： 将一三角积分调变器内的一多位兀数字模拟转换器设为一第一状态； 计算所述三角积分调变器的一输出的一第一均值； 将所述多位元数字模拟转换器设为一第二状态； 计算所述三角积分调变器的所述输出的一第二均值； 依照所述第一均值与所述第二均值之间的差距获得所述多位元数字模拟转换器的一 校正权重；以及 依照所述多位元数字模拟转换器的所述校正权重基于所述三角积分调变器的输出的 一加权总和输出所述三角积分调变器的一校正后数字输出信号。
9. 根据权利要求8所述的三角积分调变器的自我校正方法，其中所述多位元数字模拟 转换器包括复数个1位元数字模拟转换器。
10. 根据权利要求9所述的三角积分调变器的自我校正方法，其中所述第一状态与所 述第二状态之间的结构差距表示为所述1位元数字模拟转换器中的两个的互换。
11. 一种三角积分调变器，包括： 一多工器，用以接收一模拟输入信号与一固定电位信号以及依照一选择信号输出一多 工信号； 一加总电路，用以接收所述多工信号与一模拟回授信号以及输出一误差信号； 一回路滤波器，用以接收所述误差信号以及输出一滤波后信号； 一量化器，用以接收所述滤波后信号以及输出一原始数字输出信号； 一数字模拟转换器，用以接收所述原始数字输出信号以及输出所述模拟回授信号与一 旋转后数字输出信号；以及 一校正逻辑电路，用以依照所述旋转后数字输出信号输出一校正后数字输出信号。
12. 根据权利要求11所述的三角积分调变器，其中所述数字模拟转换器包括：一旋转 器，以将所述原始数字输出信号旋转成所述旋转后数字输出信号。
13. 根据权利要求12所述的三角积分调变器，其中所述数字模拟转换器还包括：复数 个1位元数字模拟转换器，以依照所述旋转后数字输出信号输出所述模拟回授信号。
14. 根据权利要求13所述的三角积分调变器，其中所述校正逻辑电路藉由执行所述旋 转后数字输出信号的一加权总和与使用每一所述1位元数字模拟转换器的复数个校正权 重来输出所述校正后数字输出信号。
15. 根据权利要求14所述的三角积分调变器，其中每一所述校正权重藉由计算所述校 正后数字输出信号的一第一均值与所述校正后数字输出信号的一第二均值之间的差距来 得到。
16. 根据权利要求15所述的三角积分调变器，其中所述校正逻辑电路以复数个运作模 式中之一运作，且所述运作模式包括一重置模式、一前景校正模式、一背景校正模式与一闲 置模式。
17. 根据权利要求11所述的三角积分调变器，其中所述校正逻辑电路藉由计算所述校 正后数字输出信号的一第一均值与所述校正后数字输出信号的一第二均值之间的差距来 输出所述校正后数字输出信号。
18. 根据权利要求11所述的三角积分调变器，其中所述数字模拟转换器为一多位元数 字模拟转换器。
19. 一种三角积分调变器的自我校正方法，包括： 依照一选择信号在一模拟输入信号与一共模信号之间择一产生一多工信号； 将一模拟回授信号与所述多工信号相减以产生一误差信号； 对所述误差信号进行滤波以产生一滤波后信号； 量化所述滤波后信号以产生一原始数字输出信号； 依照一相位指示信号与一旋转数信号旋转所述原始数字输出信号成一旋转后数字输 出信号； 利用复数个1位元数字模拟转换器转换所述旋转后数字输出信号成所述模拟回授信 号； 执行所述旋转后数字输出信号的一权重加总以产生一校正后数字输出信号；以及 藉由设定一旋转数信号以及计算所述校正后数字输出信号的一第一均值与一第二均 值之间的差距来校正所述1位元数字模拟转换器中之一的权重。
20.根据权利要求19所述的三角积分调变器的自我校正方法，还包括： 设定所述相位指示信号为一第一状态； 于所述相位指示信号为所述第一状态时，计算所述校正后数字输出信号的所述第一均 值； 设定所述相位指示信号为一第二状态；以及 于所述相位指示信号为所述第二状态时，计算所述校正后数字输出信号的所述第二均 值。
【文档编号】H03M3/02GK104253615SQ201410292604
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】林嘉亮 申请人:瑞昱半导体股份有限公司