CN101515794B

CN101515794B - 三角积分调制器及应用于其中的滤波电路

Info

Publication number: CN101515794B
Application number: CN2008100807797A
Authority: CN
Inventors: 刘长舜
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: CN101515794A

Abstract

一种应用于三角积分调制器中的滤波电路及其滤波方法，其中滤波电路包括有：积分模块、信号衰减器以及反馈电路，且其按次序连接成一本地反馈回路。积分模块用于对输入信号进行积分以输出一积分信号。信号衰减器用于衰减积分信号以输出一衰减信号，而本地反馈电路用于将衰减信号反馈至积分模块中。

Description

三角积分调制器及应用于其中的滤波电路

技术领域

本发明关于一种滤波电路，特别是一种应用在三角积分调制器中的滤波电路及其相关方法。

背景技术

模拟/数字转换器(analog to digital converter，ADC)经常运用于许多信号处理机制的前端，以将模拟信号转换为数字信号。近年来，三角积分调制器(sigma-delta modulator)已成为广泛运用的高分辨率数据转换技术，其获得高分辨率的主要机制为过采样(over-sampling)、噪声重整(noise shaping)及滤波。此技术已成功应用于直流量测、声频及音频信号处理、整体服务数字网络(ISDN)及通信系统等。

一般来说，三角积分调制器中包括加总电路、滤波器、量化器及数字/模拟转换器(digital to analog converter，DAC)，其中，滤波器可利用交换式电容积分器而实现，其用来对信号进行滤波以提升三角积分调制器的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。另外，在滤波器中，可通过本地反馈(localfeedback)的机制在交换式电容积分器上形成反馈路径，使得三角积分调制器的噪声转移函数(noise transfer function，NTF)频谱上产生一共轭零点，如「图1」所示。此共轭零点可延伸信号频带的平坦范围，并进一步抑制信号频带内的量化噪声。

然而，三角积分调制器在音讯产品的应用上，其过采样率(over samplingratio，OSR)通常为64或更大，以致使本地反馈增益与积分值的乘积将会很小(例如：0.002)。若以交换电容式积分器来实现时，本地反馈增益与积分值的乘积需等于反馈路径上所连接的反馈电容的电容值除以积分电容的电容值。然而，在反馈电容不能太小的情况下，积分电容的电容值会变的很大，进而增加面积、成本与运算放大器的输出端的杂散电容值。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的目的之一在于提供一种应用于三角积分调制器中的滤波电路及其方法，通过信号衰减的方式来减少交换式电容积分器中的电容所需的电容值。

本发明的目的之一在于提供一种应用于三角积分调制器中的滤波电路及其方法，可在噪声转移函数频谱上产生共轭零点，以延伸信号频带的平坦范围。

本发明的目的之一在于提供一种应用于三角积分调制器中的滤波电路及其方法，可通过信号衰减器在反馈前先将本地反馈信号衰减，来分担一部份的衰减量。

本发明的目的之一在于提供一种应用于三角积分调制器中的滤波电路及其方法，可在不影响电路效能的情况下，节省面积及成本。

本发明的目的之一在于提供一种应用于三角积分调制器中的滤波电路及其方法，可在完全不影响电路效能的情况下，增加调制器系数选择的弹性。

依据本发明的一个实施例，其揭露一种用于三角积分调制器中的滤波电路，滤波电路包含：一积分模块，用于对输入信号进行积分以输出一积分信号；一信号衰减器，耦接至积分器模块，通过一电阻分压来衰减积分信号以输出一衰减信号；以及一反馈电路，耦接在信号衰减器与积分模块之间，用于将衰减信号反馈至积分模块中；其中，衰减信号的振幅实质上小于积分信号的振幅。

有关本发明的特征与实践，配合附图作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为已知的三角积分调制器的噪声转移函数(NTF)频谱图；

图2为根据本发明第一实施例的三角积分调制器的概要结构图；

图3为根据本发明一实施例的三角积分调制方法的流程图；

图4为在根据本发明的三角积分调制器中，一实施例的信号衰减器及一实施例的本地反馈电路的概要电路图；

图5A为在根据本发明的三角积分调制器中，一实施例的积分器的概要电路图；

图5B为图5A中的积分器的控制信号的时序图；以及

图6为根据本发明第二实施例的三角积分调制器的概要结构图。

【主要组件符号说明】

110第一运算单元

130滤波电路

132第二运算单元

134积分模块

136信号衰减器

138反馈电路

138a第一交换式电容

138b第一交换式电容

142a第二交换式电容

142b第二交换式电容

144a切换电路

144b切换电路

150结合单元

170量化器

190权重平均器

G1第一积分器

G2第二积分器

G3第三积分器

DAC数字模拟转换单元

h0增益器

h1增益器

h2增益器

S11开关单元

S12开关单元

S13开关单元

S14开关单元

S21开关单元

S22开关单元

S23开关单元

S24开关单元

S31开关单元

S32开关单元

S33开关单元

S34开关单元

C_F反馈电容

C1积分电容

Cs储能电容

R1分压电阻

R2分压电阻

OP运算放大器

Ai输入信号

Vo1第一积分信号

Vo2第二积分信号

Vo3第三积分信号

Vout滤波信号

Do调制信号

Vd衰减信号

Vf反馈信号

CK1d控制信号

CK2d控制信号

CK1控制信号

CK2控制信号

Vr参考电压

具体实施方式

以下举出具体实施例以详细说明本发明的内容，并以附图作为辅助说明。说明中提及的符号参照附图符号。

参照图2和图3，其分别为根据本发明一实施例的三角积分调制器及根据本发明一实施例的三角积分调制方法。该三角积分调制器包括有信号输入端、信号输出端、第一运算单元110、第一积分器G1、滤波电路130、量化器170及数字模拟转换单元DAC。而第一运算单元110、第一积分器G1、滤波电路130、量化器170及数字模拟转换单元DAC构成一反馈回路。

依据本发明的一个实施例，滤波电路130中包括有第二运算单元132、积分模块134、信号衰减器136及反馈电路138，这些组件形成一本地反馈回路，如图所示。此外，第一积分器G1除了可设置在滤波电路外部之外，还可包含在积分模块内。

三角积分调制器的信号输入端用于接收一欲转换的模拟输入信号Ai(步骤210)。接着，第一运算单元110将输入信号Ai以及来自数字模拟转换单元DAC的负的调制信号相互加总运算，以产生一第一运算信号。再由第一积分器G1对第一运算信号(即，输入信号Ai与调制信号的差值)进行积分，以产生一第一积分信号Vo1(步骤220)。

接着，第二运算单元132对来自第一积分器G1所产生的第一积分信号Vo1及经由反馈电路138所反馈的负的反馈信号Vf进行加总运算以产生一第二运算信号(即第一运算信号Vo1与反馈信号Vf的差值)。实质上，此反馈信号Vf可相当于衰减信号Vd。

一般来说，积分模块120可包含有一个或n个串联的积分器(其中n为大于1的正整数)，按次序对由前一级所输入的信号进行积分，以输出一积分信号；依据本发明之一实施例，如图所示，包含有两个积分器G2、G3，第二积分器G2接收第二运算信号并对其进行积分以产生第二积分信号Vo2，而第三积分器G3接收第二积分器G2输出的第二积分信号Vo2并对其进行积分以产生第三积分信号Vo3，即积分模块120可产生第二积分信号Vo2及第三积分信号Vo3(步骤230)，然而，积分器的数目可依设计需求进行改变，本发明不以此为限。

依据本实施例，第三积分信号Vo3会经由一信号衰减器136衰减以产生一衰减信号Vd，并且将此衰减信号Vd经由反馈电路138反馈至第二运算单元132的输入端(步骤240)。

如图所示，每一个积分器的输出端可耦接至一结合单元150的输入端，以将每一个积分器的输出相加总后再输出。换言之，结合单元150的输入端耦接至第一积分器G1的输出端、第二积分器G2的输出端及第三积分器G3的输出端，以输出一滤波信号Vout(步骤250)。然而，每一个积分器G1、G2、G3所输出的积分信号也可通过增益器h0、h1、h2来调整积分信号的增益后，再将调整后的积分信号输入至结合单元150，以进行加总运算。另外，结合单元150除了可设置在滤波电路130外部之外，还可以包含在滤波电路130内。

接着，此滤波信号Vout经由量化器170量化后，产生一数字调制信号Do并输出(步骤260)。并且，此调制信号Do会经由数字模拟转换单元DAC而反馈至第一运算单元110，即，调制信号Do经由数字模拟转换单元DAC转换成模拟信号，以负反馈至第一运算单元110(步骤270)。

参照图4，反馈电路138可具有由多个开关单元S11、S12及反馈电容C_F所组成的交换式电容电路(即为交换式电容的等效电路，为方便描述，以下称为第一交换式电容)。如图所示，此反馈电容C_F通过开关S11而耦接至信号衰减器136，并且通过开关单元S12将反馈电容C_F与开关单元S11的接点耦接至一参考电压Vr(例如：接地)。反馈电路138依据多个不同相位的控制信号CK1d、CK2d而运作，以输出反馈信号Vf给第二运算单元(图中未示)。在此，开关单元S11、S12可分别由控制信号CK1d、CK2d而控制。此外，控制信号CK1d、CK2d可为大致上互为反向的信号；因此，在第一阶段时，开关单元S11为启动(on)，而开关单元S12为关闭(off)，以对反馈电容C_F进行充电，即，使反馈电容C_F根据信号衰减器136的输出(即衰减信号Vd)和参考电压Vr储存电荷；在第二阶段时，开关单元S11则为关闭，而开关单元S12则为启动，以使反馈电容C_F进行放电以输出反馈信号Vf。换言之，当参考电压Vr为接地时，反馈电容C_F在第一阶段根据衰减信号Vd储存电荷；在第二阶段时，则将进行放电，以将衰减信号Vd作为反馈信号Vf而反馈给第二运算单元。

根据本发明之一实施例，如图所示，信号衰减器136可通过分压电阻R1、R2所实现。其中，分压电阻R1耦接在反馈电路138与第三积分器G3之间，并且通过分压电阻R2将反馈电路138与开关单元S11的接点耦接至参考电压Vr(例如：接地)。分压电阻R1、R2用来将第三积分器G3所输出的第三积分信号Vo3进行分压，使得输出的衰减信号Vd与第三积分信号Vo3存在一电位差(即，衰减信号Vd的振幅实质上小于第三积分信号Vo3的振幅)，换句话说，此分压电阻将此第三积分信号Vo3衰减了K倍(即，K＝(R1+R2)/R2)。另外，此分压电阻可由集成电路中的金属电阻(Metalresistor)，多晶硅电阻(Poly resistor)或井电阻(Well-resistor)所实现。

请参照图5A，图5A为根据本发明的积分器的一个实施例，包括运算放大器OP、积分电容C1、交换式电容电路(即为交换式电容的等效电路，为方便描述，以下称为第二交换式电容142a、142b)和切换电路144a、144b。积分电容C1跨接在运算放大器OP的输入端与输出端之间，且通过切换电路144a/144b连接第二交换式电容142a/142b与运算放大器OP的输入端。其中，第一交换式电容138a/138b的输出端连接至第二交换式电容142a/142b与切换电路144a/144b的接点。并且，在此实施例中，第二运算单元132的作用可通过第一交换式电容138a/138b和第二交换式电容142a/142b而实现。

第二交换式电容电路142a/142b可具有多个开关单元S21、S22/S23、S24及一储能电容Cs，且切换电路144a/144b则具有多个开关单元S31、S32/S33、S34。而第一交换式电容138a/138b具有多个开关单元S11、S12/S13、S14及反馈电容C_F。

在此，储能电容Cs分别通过开关单元S21/S23和开关单元S31/S33连接在前一级的输出端(在此例中，即为第一积分器G1的输出端)和运算放大器OP的输入端之间。并且，通过开关单元S22/S24/S32/S34将储能电容Cs与开关单元S21/S23/S31/S33的接点连接至参考电压Vr(例如：接地)。反馈电容C_F之一端连接至开关单元S11、S12/S13、S14，另一端连接至储能电容Cs与开关单元S31、S32/S33、S34的接点。

在此，这些开关单元S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34可依据多个不同相位的控制信号CK1d、CK2d、CK1、CK2而运作。换言之，开关单元S11/S13/S21/S23、S12/S14/S22/S24、S32/S34、S31/S33可分别由控制信号CK1d、CK2d、CK1、CK2而控制。此外，控制信号CK1d、CK2d可为大致上互为反向的信号，而控制信号CK1、CK2可为大致上互为反向的信号。并且，控制信号CK1、CK1d之间具有一相位差，而控制信号CK2、CK2d之间具有一相位差，如图5B所示。因此，在第一阶段时，开关单元S11、S13、S21、S23、S32、S34为启动(on)，而开关单元S12、S14、S22、S24、S31、S33为关闭(off)，以对反馈电容C_F和储能电容Cs进行充电，即，使反馈电容C_F根据衰减信号Vd(和参考电压Vr)储存电荷，及使储能电容Cs根据前一级的输出(于此例中，即为第一积分信号Vo1)(和参考电压Vr)储存电荷；在第二阶段时，开关单元S11、S13、S21、S23、S32、S34则为关闭，而开关单元S12、S14、S22、S24、S31、S33则为启动，以使反馈电容C_F和储能电容Cs进行放电，即使积分电容C1根据储能电容Cs所储存的电荷(即，第一积分信号Vo1)、衰减信号Vd和参考电压Vr储存电荷。在此，储能电容Cs与反馈电容C_F所对应的电容值为不相同，即第一交换式电容138a/138b和第二交换式电容142a/142b所对应的电容值不相同。并且，反馈电容C_F的电容值与积分电容C1的电容值的比值相应于储能电容Cs的电容值与积分电容C1的电容值的比值。在此，虽然描述的是差动式滤波电路，然而本发明并不以此为限，也可依设计需求采用单端式滤波电路，操作原理可类似于差动式滤波电路，举例来说，在单端式积分器中，运算放大器OP的负输入端连接至参考电压Vr，正输入端经由一交换式电容131a和一切换电路144a输入前一级的输出信号。

在量化器170与数字模拟转换单元DAC之间可耦接一权重平均器(dataweight average，DWA)190，如图6所示。

在此，虽然仅以一个滤波电路串接在第一积分器与量化器之间进行说明，然而其它实施例中，第一积分器与量化器之间可串接多个滤波电路(图标未示)；或者，串接一个或多个滤波电路130在第一运算单元110与量化器170之间。

综上所述，本发明通过本地反馈机制，在噪声转移函数频谱上产生共轭零点，藉以延伸信号频带的平坦范围，并进一步抑制信号频带内的量化噪声。再通过信号衰减器在反馈前先将本地反馈信号衰减K倍，以分担一部份反馈增益(g_f)与积分值(g₂)的乘积值的衰减量，以使反馈电容的电容值(C_F)除以积分电容的电容值(C1)等于K倍的反馈增益(g_f)与积分值(g₂)的乘积值(即，C_F/C1＝K·g_f·g₂)(即，反馈电容的电容值与积分电容的电容值的比值与积分信号与反馈信号的乘积相对应，且积分电容的电容值与反馈电路所对应的电容值的比值与衰减信号相对应)，如此一来，通过K倍衰减的结果，可拉近反馈电容与积分电容的电容值，进而节省电容面积并增加调制器系数选择的弹性。

即便是在考虑到电阻值变异情况下(即，电阻宽度须大于某特定值)，但其占用面积一般来说还是比省掉的电容面积小。并且，若使用精准金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)电容的加工，电阻串可放在MIM电容下，即可不占面积。

如此一来，即可在完全不影响电路效能的情况下，减少面积、降低耗电，并且提供调制器系数选择上较大的弹性。

虽然本发明通过前述的较佳实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可进行些许的更动与修饰，因此本发明的专利保护范围以本说明书所附的权利要求的界定为准。

Claims

1.一种滤波电路，包含：

一积分模块，用于对输入信号进行积分以输出一积分信号；

一信号衰减器，耦接至该积分模块，用于衰减该积分信号以输出一衰减信号；以及

一反馈电路，耦接在该信号衰减器与该积分模块之间，用于将该衰减信号反馈至该积分模块；

其中，该衰减信号的振幅实质上小于该积分信号的振幅。

2.如权利要求1所述的滤波电路，其中该信号衰减器由多个分压电阻组成。

3.如权利要求1所述的滤波电路，其中该反馈电路为一交换式电容。

4.如权利要求1所述的滤波电路，其中该反馈电路根据多个不同相位的频率信号而运作。

5.如权利要求1所述的滤波电路，其中该积分模块包含：

一运算放大器，用于输出该积分信号；

至少一积分电容，耦接在该运算放大器的输入端与输出端之间；

至少一切换电路，耦接至该积分电容与该运算放大器的输入端；以及

至少一交换式电容，耦接至该切换电路。

6.如权利要求5所述的滤波电路，其中至少一个积分电容的电容值与该反馈电路所对应的电容值的比值与该衰减信号相对应。

7.如权利要求1所述的滤波电路，其中该滤波电路应用于三角积分调制器。

8.一种滤波电路，包含：

一运算单元，用来运算一输入信号与一反馈信号的差值，并输出一运算信号；

一积分模块，该积分模块的输入端耦接至该运算单元的输出端，用来对该运算信号进行积分以输出至少一积分信号；以及

一信号衰减器，耦接在该运算单元的输入端与该积分模块的输出端之间，用来衰减该积分信号以输出该反馈信号。

9.如权利要求8所述的滤波电路，其中该运算单元包含：

一第一交换式电容，耦接至该积分模块，用于接收该反馈信号；以及

一第二交换式电容，耦接至该第一交换式电容和该积分模块，用于接收该输入信号；

其中，该第一交换式电容和该第二交换式电容依据多个不同相位的频率信号以输出该运算信号。

10.如权利要求9所述的滤波电路，其中该第一交换式电容和该第二交换式电容所对应的电容值不相同。

11.如权利要求9所述的滤波电路，其中该积分模块具有多个积分器，每一个所述积分器包含：

一运算放大器；

一积分电容，耦接在该运算放大器的输入端与输出端之间；以及

一切换电路，耦接该运算放大器的输入端。

12.如权利要求11所述的滤波电路，其中该第一交换式电容所对应的电容值与该积分电容所对应的电容值的比值与该积分信号与该反馈信号的乘积值相对应。

13.如权利要求8所述的滤波电路，其中该积分模块具有多个积分器，每一个所述积分器包含：

一运算放大器；

一切换电路，耦接该运算放大器的输入端。

14.如权利要求8所述的滤波电路，其中该信号衰减器具有多个分压电阻。

15.如权利要求8所述的滤波电路，还包含：

一结合单元，耦接至该积分模块，用来结合多个积分信号以输出一滤波信号。

16.一种三角积分调制器，包含：

一第一运算单元，用来运算一输入信号与反馈的一模拟调制信号的差值以输出一第一运算信号；

一滤波电路，用于根据该第一运算信号输出一滤波信号，该滤波电路包括有：

一积分模块，耦接至该第一运算单元，用来对该第一运算信号进行积分，以产生多个积分信号，

一信号衰减器，耦接于至该积分模块，用来衰减该多个积分信号中至少一个积分信号，以输出一衰减信号至该积分模块中，以及

一结合单元，耦接至该积分模块，用来结合该多个积分信号，以输出该滤波信号，

一量化器，耦接至该滤波电路，用来量化该滤波信号以输出一数字调制信号；以及

一数字模拟转换单元(DAC)，耦接在该量化器与该第一运算单元之间，用来将该数字调制信号进行数字模拟转换，以输出该模拟调制信号。

17.如权利要求16所述的三角积分调制器，其中该积分模块包含：

一第一积分器，用于根据该第一运算信号来产生一第一积分信号；

一第二运算单元，用来运算该第一积分信号与该衰减信号以输出一第二运算信号；以及

一第二积分器，用于根据该第二运算信号来输出一第二积分信号。

18.如权利要求16所述的三角积分调制器，其中该信号衰减器具有多个分压电阻。

19.如权利要求17所述的三角积分调制器，其中该积分模块具有多个积分器，每一个所述积分器包含：

一运算放大器；

一切换电路，耦接该运算放大器的输入端。

20.如权利要求19所述的三角积分调制器，其中该第二运算单元包含：

一第一交换式电容，耦接至该切换电路，用于接收该衰减信号；；以及

一第二交换式电容，耦接至该第一交换式电容和该切换电路，用于接收该第一积分信号；

其中，该第一交换式电容和该第二交换式电容依据多个不同相位的频率信号来输出该第二运算信号。

21.如权利要求20所述的三角积分调制器，其中该第一交换式电容所对应的电容值与该积分电容的电容值的比值与该第一积分信号与反馈信号的乘积值相对应。

22.如权利要求16所述的三角积分调制器，还包含：

一权重平均器，耦接在该量化器与数字模拟转换单元之间。