用于在模拟信号和数字信号之间进行转换的系统的制作方法

本公开涉及集成电路，并且更具体地涉及用于在模拟信号和数字信号之间进行转换的系统。

背景技术：

各种无线听觉设备(诸如助听器)包括模拟至数字转换器和数字至模拟转换器以辅助模拟音频信号的数字处理。具体地，模拟至数字转换器(ADC)用于将模拟音频信号(用麦克风捕获的)转换为用于处理的数字信号。随后数字至模拟转换器(DAC)用于将经处理的数字信号转换为模拟形式以输出到耳膜。

转换器设计通常旨在获得宽的动态范围以使得引起主要音频噪声的为麦克风而不是转换器。由于听觉设备通常小并且因此不能容纳笨重的电源，因此也期望低功耗。此外，由于片外部件占用听觉设备中的宝贵的空间，因此设计试图最小化这些片外部件的数量和尺寸。当前，没有听觉设备获得这些考虑的令人满意的关系。

技术实现要素：

本实用新型要解决的一个问题是提供改进的用于在模拟信号和数字信号之间进行转换的系统。

本文中公开的实施例中的至少一些涉及一种用于在模拟信号和数字信号之间进行转换的系统，所述系统包括：微分器，所述微分器基于输入信号和反馈信号产生经微分的信号；耦接到所述微分器的积分器，所述积分器对所述经微分的信号进行积分；耦接到所述积分器的量化器，所述量化器对经积分的信号进行量化；以及低通反馈滤波器，所述低通反馈滤波器耦接在所述量化器的输出和所述微分器的输入之间，使用经量化的信号生成所述反馈信号，其中，所述低通反馈滤波器将所述经量化的信号中的至少一些噪声在频谱中向下推。

在一个实施例中，所述积分器和所述低通反馈滤波器随着信号通过所述系统对所述信号执行二阶噪声成形。

在一个实施例中，所述系统还包括耦接到所述量化器的数字滤波电路系统，所述数字滤波电路系统包括低通滤波器以将所述经量化的信号中的至少一些噪声在频谱中向下推，并且所述数字滤波电路系统还包括高通滤波器以使所述至少一些噪声衰减。

在一个实施例中，系统还包括耦接到所述量化器的数字滤波电路系统，所述数字滤波电路系统包括实现所述低通反馈滤波器的传递函数的低通滤波器。

在一个实施例中，所述系统还包括耦接到所述量化器的数字滤波电路系统，所述数字滤波电路系统包括对数字信号进行抽取的抽取器。

在一个实施例中，所述低通反馈滤波器具有动态可调截止频率。

在一个实施例中，其中至少部分基于输入信号的幅值来调节所述动态可调截止频率。

在一个实施例中，当模拟输入信号幅值低于预定阈值时，所述动态可调截止频率小于或等于20Hz。

在一个实施例中，所述动态可调截止频率是提供至所述系统的时钟频率的函数。

在一个实施例中，所述低通反馈滤波器包括多个电容器，所述多个电容器中的每一个能够基于至少第一组开关的状态从电源电压耦接或者解耦，并且所述多个电容器能够基于至少第二组开关的状态以多种串联构造进行耦接。

在一个实施例中，所述低通反馈滤波器应用作为所述多个电容器的数量的函数的信号增益，其中所述低通反馈滤波器的滚降区与包含性的100Hz至20kHz的频率范围相对应。

在一个实施例中，用单个运算跨导放大器(OTA)实现所述微分器和积分器。

本实用新型的一个有益技术效果是提供改进的用于在模拟信号和数字信号之间进行转换的系统。

附图说明

在附图中：

图1是说明性模拟至数字转换器(ADC)的概念性框图。

图2是说明性ADC的详细框图。

图3是示出图2的ADC中的各个节点处的信号频谱的一组频域图。

图4是示出图2的ADC中各个节点之间的传递函数的一组图。

图5是说明性ADC的电路示意图。

图6是说明性ADC中的说明性低通反馈滤波器的电路示意图。

图7是说明性数字至模拟转换器(DAC)的概念性框图。

图8是说明性DAC的详细框图。

图9是由ADC执行的说明性方法的流程图。

然而，应当理解，附图及其详细说明中给定的具体实施例并不限制本公开。相反，它们为本领域技术人员提供了辨别与给定实施例中的一个或多个一起包括在所附权利要求的范围中的替换形式、等同物和修改的基础。

具体实施方式

相关申请的交叉引用

本非临时申请要求2015年9月16日提交的临时美国申请No.62/219,532的优先权，该申请通过引用并入此处。

本文公开的是delta-sigma模拟至数字转换器(ADC)的各种实施例，ADC具有跟踪输入信号的宽动态范围同时保持低噪声水平、低功耗和最小空间需求的能力。这些实施例通常包括位于ADC量化器输出和ADC微分器输入之间的反馈回路中的低通滤波器。该低通反馈滤波器是切换的电容器电路，其与ADC积分器合作实现二阶噪声成形功能。对于低幅值输入信号，低通反馈滤波器将经量化的信号中的噪声在频谱中向下推至更低的非听觉频率(例如，低于20Hz)，并且该噪声随后由ADC的数字滤波部分中的高通滤波器进行衰减。对于较高幅值的高频率输入信号，低通反馈滤波器的截止频率增大以保持ADC跟踪输入信号并且避免积分器饱和同时最小化输入引起的噪声水平的能力。高幅值信号掩码可能由截止频率的向上调节引起的噪声的增大。以下将更详细描述的这种滤波技术基本上相对于其它转换器减小了功耗。

可由反馈控制逻辑调节低通反馈滤波器的截止频率，反馈控制逻辑例如动态地调节时钟信号频率以改变截止频率。以这种方式调节时钟频率修改了截止频率，这是因为截止频率是时钟频率的函数。替换地，可以通过增大滤波器中串联耦接的电容器的数量来调节低通反馈滤波器的截止频率，如以下更详细描述的。以这种方式，听觉带宽(通常，100Hz至20kHz)与用于低幅值信号的低通反馈滤波器的滚降区相对应。ADC的数字滤波部分包括实现低通反馈滤波器的传递函数的低通滤波器，以及使听觉带宽外频率处的信号的部分衰减的典型抽取和高通滤波器块。这些技术也适合于数字至模拟转换器(DAC)。

图1是说明性ADC 100的概念性框图。ADC 100包括微分器102、模拟采样电路系统104、数字滤波电路系统106、反馈控制逻辑108以及低通反馈滤波器110。以下提供了模拟采样电路系统104的具体示例，但是一般而言，模拟采样电路系统104包括能够接收模拟输入信号并且对输入信号采样和量化以优选地产生通常在sigma-delta ADC当中的过采样的、经量化流的任何合适的电路系统。类似地，以下提供了数字滤波电路系统106的具体示例，但是一般而言，数字滤波电路系统106包括能够模拟低通反馈滤波器110实现的传递函数并且对信号抽取和高通滤波以移除由数字滤波电路系统106和/或ADC100的其它部件已经向下推向更低频率的噪声的任何合适的电路系统。反馈控制逻辑108包括可以控制数字滤波电路系统106和/或低通反馈滤波器110的一个或多个方面的任何合适的逻辑，诸如但不限制为微处理器或微处理器的一部分。例如，说明性反馈控制逻辑108可以基于输入信号幅值和频率调节低通反馈滤波器110和/或数字滤波电路系统106的一个或多个部件的截止频率。类似地，反馈控制逻辑108可以控制在低通反馈滤波器110和/或数字滤波电路系统106的任何部件中实现的一个或多个开关(例如，场效应晶体管(FET))。反馈控制逻辑108可以通过例如执行存储于反馈控制逻辑108内的软件和/或固件来执行上述动作中的一些或全部。

除了以上描述的部件以外，图1中的说明提供标号以指示ADC100中数个节点，这些标号用于以下描述ADC的功能。ADC 100包括节点112，在节点112处将输入信号V_IN提供给微分器102。微分器102还从低通反馈滤波器110经由节点114接收反馈信号。节点103向模拟采样电路系统104提供微分器102的输出。此外，在节点116处提供模拟采样电路系统104的输出，并将该输出信号提供给数字滤波电路系统106和反馈控制逻辑108。接着反馈控制逻辑108在节点120和122处输出其控制信号。低通反馈滤波器110在节点124处接收基准信号V_REF并且在节点120处从反馈控制逻辑108接收控制信号以在节点114处产生反馈信号。ADC 100在节点118处产生脉冲编码调制(PCM)输出信号。

如提及的，低通反馈滤波器110具有动态可调截止频率。可以由反馈控制逻辑108基于输入信号幅值和频率来控制该截止频率。在一些实施例中，例如，反馈控制逻辑108包含被编程为使得反馈控制逻辑108识别输入信号幅值和/或频率何时满足预定标准的编码。当满足表明例如低幅值信号这种标准时，反馈控制逻辑108使得低通反馈滤波器110的截止频率在频谱中向下推。同样地，信号噪声被在频谱中向下推以用于随后被例如数字滤波电路系统106中的高通滤波器进行衰减。类似地，当反馈控制逻辑108确定满足表明例如高幅值、高频率信号的其它预定标准时，反馈控制逻辑108使得低通反馈滤波器110的截止频率在频谱中向上移动。该截止频率的向上移位导致附加噪声，但是由增大的信号幅值对附加噪声进行掩码。这种截止频率的调节有利于跟踪通过相当宽动态范围的输入信号。

图2是说明性ADC 198的详细框图。ADC 198表示图1的ADC100的实施例的子集，但是其不限制本公开的范围。ADC 198包含微分器102，反馈控制逻辑108，低通反馈滤波器110和节点112、114、103、116、118、120、122和124，以上相对于图1的ADC 100描述了所有这些。ADC 198附加地包括积分器200(例如，尽管可以使用任意阶的积分器来使量化噪声衰减，但积分器200优选为一阶积分器以获得接近100dB的需要动态范围)和量化器202，它们一起形成图1的模拟采样电路系统104的部分或全部。积分器200经由节点103接收微分器102的输出信号，并且接着积分器200在节点210上输出经积分的信号。节点210上的信号被提供给量化器202，量化器202使信号量化并且在节点116上输出过采样、经量化的信号。ADC 198还包括低通滤波器204、抽取器206和高通滤波器208，它们共同形成图1中示出的数字滤波电路系统106的一些或全部。低通滤波器204经由节点116从量化器202接收过采样、经量化的信号，通过将信号中的噪声在频谱中向下推来实现低通反馈滤波器110的传递函数(例如，对于低幅值信号(诸如低于-35dBV的信号)使用20Hz截止频率，较高截止频率用于具有较高频率的较高幅值信号)，并且在节点212上提供经滤波的信号。尽管较高截止频率允许附加噪声，但是信号的高幅值特性对附加噪声进行掩码。

由抽取器206根据任何合适的抽取方案对节点212上的经滤波的信号进行抽取并将其提供在节点214上。高通滤波器(例如，DC移除电路)208接收节点214上的信号作为输入，并且将信号滤波以使信号的噪声部分衰减。在节点118上提供PCM音频输出。现在描述图3和图4，其中的每一个提供了多个频谱图以表明ADC 100和198的功能，随后相对于图5进行ADC 198的更详细的描述。

图3描绘了一组图300、304、306和308，这些图示出图2的ADC198中的各个节点处的信号频谱。这些图中的每一个处于频域中并且因此在x轴上绘制频率并在y轴上绘制信号幅值。在图300中，示出节点112的频谱在音频带302中具有说明性的-20dB/十的陡度。图304示出了在量化器202的输出节点116处的频谱。如示出的，在低通滤波器截止频率以上的音频带302的部分中，信号幅值是平的，并且由于量化噪声，在音频带302以上的频率中，幅值尖锐升高。在最低频率处的弯曲区域表示由先前低通滤波添加的低频率噪声，并且该噪声随后被高通滤波器208移除。图306示出了节点212处表明由于低通滤波器204的衰减的频谱。随着频谱增大，衰减强度增大。噪声已经被推至频率范围的低端(例如，低于20Hz)。图308描绘了对节点118的频谱进行抽取和高通滤波的结果，其中最高频率分量和最低频率分量显著地衰减，如箭头310和312表明的。高通滤波器208使信号的低频率分量衰减，并且抽取器206包括低通滤波器以使信号的高频分量衰减。各自可以按需并且按可能合适地选择截止频率。

图4是一组图400、404和416，这些图示出图2的ADC 198中的各个节点之间在频域中的传递函数。图400描绘了节点212关于节点112的传递函数。传递函数在音频带402以上为平的，并且在较高频率处滚降。图404描绘了节点116关于节点112的传递函数。示出在低通反馈滤波器截止频率(标号406)以上为例如每十斜坡+20dB(标号410)，意味着最大输入信号幅值由于反馈滤波器的低通行为而随着频率减小。如示出的，低通反馈滤波器截止频率406必须向上调节(标号412和414)以处理高幅值、高频率输入信号。图416描绘了节点212关于节点124的传递函数。该传递函数表明基准信号V_REF在低通反馈滤波器截止频率406以上的音频带402的部分中衰减，因此改善噪声水平。

图5是说明性ADC 500的电路示意图。ADC 500是图1和2的ADC 100和198的实施例，但是它是说明性的并且不限制本公开的范围。ADC 500包括运算跨导放大器(OTA)502。阻抗504耦接到OTA502的反相输入，包括电容器506的反馈回路一样耦接到OTA 502的反相输入。考虑到整体区域增大导致噪声减小并且反之亦然，阻抗504(例如，电阻器)的说明性值是10千欧姆，并且电容器506的说明性值是30皮法。OTA 502的非反相输入耦接至节点114，其是低通反馈滤波器110的输出。单个OTA 502与阻抗504和电容器506一起执行图2中示出的微分器102和积分器200的功能。一般而言，积分器200是提供低通滤波功能以避免输入信号的混叠的一阶、高输入阻抗、时间连续积分器。OTA 502在节点512和514处提供两个输出，这些输出中的每一个是到简单增益级508的输入(例如，30dB，尽管在替换实施例中，完全移除增益级508)，增益级508在节点516和518处产生输出。节点516和518上的信号被提供给钟控比较器510，如示出的，钟控比较器510还接收时钟信号CLK 520(例如，3-5MHz，考虑到时钟频率应该尽可能接近阻抗504和电容器506的RC时间常数)。增益级508和钟控比较器510一起形成图2的量化器202。

钟控比较器510将其比较结果输出至节点522和524。节点522和524耦接到低通滤波器204和反馈控制逻辑108。反馈控制逻辑108还接收时钟信号CLK 520。反馈控制逻辑108控制低通滤波器204(经由节点122)和低通反馈滤波器110(经由节点120)的截止频率。在一些实施例中，由于截止频率是时钟信号频率的函数，反馈控制逻辑108通过调节时钟信号频率对这两个低通滤波器施加截止频率控制。替换地或附加地，滤波器110中的多个电容器528可以使用独立可控开关536和/或538并联耦接，以使得反馈控制逻辑108可以动态地断开和闭合开关以调节节点526和114之间存在的总电容。在一些实施例中，对于相对低幅值信号，仅一个电容器528可以有效，并且与其余电容器关联的开关可以断开。在一些实施例中，对于相对高幅值信号，通过将多个电容器528并联切换可以使它们有效。

如前面解释的，低通滤波器204实现低通反馈滤波器110的传递函数；因此，在至少一些实施例中，这些滤波器的两个中的截止频率是相同的。反馈控制逻辑108还使用经由节点120提供的切换控制信号来控制低通反馈滤波器110的切换动作。反馈控制逻辑108使用例如执行存储在计算机可读存储介质上的可用编程编码的微处理器或微处理器的一部分执行其动作中的一些或全部。

仍然参考图5，低通反馈滤波器110包括一个或多个电容器528(例如，32毫微微法)、一个或多个开关534、一个或多个开关536以及一个或多个开关538。反馈滤波器110还包括节点530和节点532。开关534分别将节点530和532耦接到节点124_P和124_N处的V_REFP(例如，低于2伏)和V_REFN(例如，低于2伏)。开关536以一个极性将电容器528耦接到节点114和526，而开关538以相反的极性将电容器528耦接到节点114和526。通常地，当开关538断开时，开关536闭合，并且反之亦然。节点526处的电压V_CM是ADC 500的共模(即，中点)电压，并且可以按需选择(例如，低于2伏)。开关534、536和538由反馈控制逻辑108控制。低通反馈滤波器110可以包含任意数量的串联电容器528，数量优选为4的倍数。电容器528还可以并联耦接，如上所述的。节点114耦接到电容器546(例如，100-200皮法)，电容器546还耦接到节点124_N。

在操作中，低通反馈滤波器110用于操纵电容器546上的电荷，该电荷增多或减少以跟踪输入信号。具体地，滤波器110以两个相位操作。在第一相位中，开关534闭合，并且所有其它开关断开。(一个或多个)电容器528被充电至V_REF，V_REF是节点124_P和124_N处的V_REFP和V_REFN之间的电势。在第二相位中，取决于量化器的输出(即，钟控比较器510)，电容器546上的电荷增多或减少以跟踪输入信号。为了增多电容器546上的电荷，开关536闭合并且开关538断开；相反地，为了减少电容器546上的电荷，开关536断开并且开关538闭合。以这种方式增多和减少电容器546上的电荷改变经由节点114提供至OTA 502的非反相输入的信号。

仍然参考图5，低通滤波器204实现低通反馈滤波器110的传递函数。这可以以任何合适的方式完成。例如，在一些实施例中，低通反馈滤波器110可以在低通滤波器204中复制。在其它实施例中，可以使用实现滤波器110的传递函数的简单低通滤波器。在又其它实施例中，可以使用起实现滤波器110的传递函数作用的任何电路系统。用于实现低通滤波器204的任何和所有合适的技术考虑并且包括在本公开的范围内。不论实现低通滤波器204的具体方式，滤波器204具有经由节点122由反馈控制逻辑108控制的动态可调截止频率。本领域中公知抽取器，并且因此抽取器206在此不详细描述。高通滤波器208可以是使低于关注的音频带宽的信号(例如，具有20Hz至100Hz的说明性截止频率)衰减的简单高通滤波器。在节点118处输出PCT音频信号。

由如下等式确定滤波器110的截止频率：

其中，f_cutoff是滤波器100的截止频率，C₅₂₈是电容器528的电容以及C₅₄₆是电容器546的电容。尽管图5只示出一个电容器528，但在一些实施例中，多个这样的电容器528可以串联耦接以调节滤波器110的截止频率。由于任何这样的电容器528串联耦接，每个附加电容器528减小滤波器110的总电容。这种减小总电容导致截止频率减小(参见等式(1))。(还可以通过调节时钟频率或通过如以上所述的并联耦接多个电容器528来调节截止频率。)图6描绘了电容器528的这种串联组件，电容器528的量向上或向下调节截止频率。具体地，图6是说明性ADC中的说明性低通反馈滤波器110的电路示意图。滤波器110包括以示出布置耦接的四个电容器528和多个开关534、536和538。尽管图6的滤波器110描绘了四个电容器528，但是可以使用任何数量的这种电容器，优选为四的倍数以用于复杂性、有效性和功耗的优化组合。开关534将电容器528耦接至V_REFP和V_REFN。当开关536闭合而开关538断开时，电容器528以第一极性串联耦接。当开关538闭合而开关536断开时，电容器528以相反的极性串联耦接。如以上解释的，这些相反极性的效果是充电或泄露电容器546以跟踪输入信号。滤波器110应用作为串联耦接的电容器528的数量的函数的信号增益。

以上关于ADC描述的概念还可以在数字至模拟转换器(DAC)中实现。图7是说明性DAC 700的概念性框图。DAC 700包括插值逻辑702、微分器704、数字采样电路系统706、模拟滤波电路系统708、反馈控制逻辑710和低通反馈滤波器712。插值逻辑702在节点701上接收PCM音频信号并且在节点714处产生过采样、经插值的输出信号。微分器704接收经插值的输出信号并经由节点724接收反馈信号以在节点716上产生经微分的信号。经微分的信号被提供至数字采样电路系统706。以下提供了数字采样电路系统706的具体示例，但是一般而言，数字采样电路系统706包括能够接收数字输入信号并对输入信号采样和量化的任何合适的电路系统。数字采样电路系统706的输出被提供在节点718上。节点718上的信号被输入到模拟滤波电路系统708和反馈控制逻辑710。以下提供了模拟滤波电路系统708的具体示例，但是一般而言，模拟滤波电路系统708包括能够对信号滤波和缓冲以在节点720处产生模拟信号V_OUT的任何合适的电路系统。

反馈控制逻辑710包括可以控制模拟滤波电路系统708的一个或多个部件和/或低通反馈滤波器712的任何合适的逻辑，诸如并且不限于微处理器或微处理器的一部分(以及存储于计算机可读介质上的软件和/或固件)。例如，说明性反馈控制逻辑710可以调节低通反馈滤波器712和/或模拟滤波电路系统708的一个或多个部件的截止频率。类似地，反馈控制逻辑710可以控制低通反馈滤波器712和/或模拟滤波电路系统708的任何部件中实现的一个或多个开关(例如，场效应晶体管(FET))。反馈控制逻辑将其控制信号经由节点726提供至模拟滤波电路系统708并且经由节点722提供至低通反馈滤波器712。反馈控制逻辑710使用这些信号以基于输入信号幅值和频率调节这些滤波器的截止频率。与图1和2的反馈控制逻辑108一样，反馈控制逻辑710可以被编程为基于任何合适的标准调节DAC 700中的各种滤波器的截止频率。

图8是说明性DAC 798的详细框图。DAC 798是图7的DAC 700的实施例，但是其仅是说明性的并且不限制本公开的范围。如示出的，DAC 798包括许多如DAC 700的相同部件，但是其附加地提供用于数字采样电路系统706和模拟滤波电路系统708的具体部件。具体地，DAC 798包括积分器800，该积分器800在节点810处具有提供至量化器802的输出信号。这些部件形成图7的数字采样电路系统706的部分或全部。积分器和量化器的功能本文中已经描述并且因此在此不再重复。DAC 798还包括低通滤波器804和缓冲器(或简单低通滤波器)806。这些部件形成图7的模拟滤波电路系统708的部分或全部。在一些实施例中，经由节点808接收V_REF信号的低通滤波器804与图5和6描绘的反馈滤波器电路系统相同或相似。可以类似地实现低通反馈滤波器712。然而，本公开的范围不限于图5和6的电路系统，并且其它变形和实现包括在本公开的范围内。低通滤波器804的输出经由节点812提供至缓冲器806。缓冲器806(或在一些实施例中，简单低通滤波器)可以单独使用或与其它适当的滤波器组合使用以限制输出信号的带宽。

图9是由ADC执行的说明性方法900的流程图。方法900开始于微分器将模拟输入信号和反馈信号组合以产生经微分的信号(步骤902)。方法900接着使积分器将经微分的信号进行积分以产生时间连续的经积分的信号(步骤904)。方法900接着包括量化经积分的信号以产生过采样、经量化的信号(步骤906)。附加地，经量化的信号通过低通反馈滤波器以产生反馈信号，对于低幅值输入信号，将噪声在频谱中向低推(步骤908)。方法900还包括使用ADC的数字部分中的低通和高通滤波器以使噪声按需成形和衰减(步骤910和912)，因此产生数字化的输出信号。例如，可以通过添加、删除、修改和/或重新布置一个或多个步骤来按需调节方法900。

在一个实施例中，积分器是时间连续的积分器；其中系统包括模拟至数字转换器或数字至模拟转换器。

至少一些实施例涉及一种用于在模拟信号和数字信号之间转换的方法，包括：组合输入信号和反馈信号以产生经微分的信号；对经微分的信号进行积分以产生经积分的信号；对经积分的信号进行量化以产生经量化的信号；以及对经量化的信号进行低通滤波以产生所述反馈信号，所述滤波将经量化的信号中的噪声在频谱中向下推。可以使用以下概念中的一个或多个以任何顺序和任何组合补充这些实施例中的一个或多个：还包括：对经量化的信号进行低通滤波以产生具有在频谱中向下推的噪声的经滤波的信号；以及对经滤波的信号进行高通滤波以使所述噪声衰减；还包括动态地调节所述经量化的信号的低通滤波中使用的截止频率；其中动态地调节截止频率包括使用输入信号的幅值；其中所述低通滤波包括使用具有与包含性的100Hz至20kHz的频率范围相对应的滚降区的低通反馈滤波器。

一旦完全理解以上公开，各种其它变形和修改将对本领域技术人员而言是显然的。其意图是，以下权利要求解释为包含所有这种变形、修改和等同。此外，术语“或”应当解释为包括性意义。