CN101615893B - 使用积分三角调变的放大器及调整此放大器的误差的方法 - Google Patents

Abstract

放大器包含积分三角调变电路、功率级电路、两反馈元件、误差抑制电路及选择电路。积分三角调变电路根据两输入信号或一单端信号产生两输入电压。功率级电路根据两输入电压或一误差调整电压提供两输出电压。两反馈元件分别耦接功率级电路的两输出端与积分三角调变器的两输入端。误差抑制电路依据两输入电压产生误差调整电压。选择电路根据两输入电压对应不同或相同电平来选择输出，藉以调整功率级电路以抑制两反馈元件的不匹配误差。

Description

使用积分三角调变的放大器及调整此放大器的误差的方法

技术领域

本发明是有关一种依据输入电压的逻辑电平来抑制反馈元件的不匹配误差的电路及其相关方法。

背景技术

目前积分三角调变器(sigma-delta modulator)已被广泛地运用在放大器中，一般而言，积分三角调变器采用单一位元的量化器，而此量化器则会产生二位阶的输出信号(亦即-1跟1)。然而于某些应用当中(例如音讯放大器)，即使输出功率很小，此量化器的输出信号仍会在-1跟1之间不停变动，如此一来，不但会造成放大器的效能降低，且需要大尺寸的电感-电容滤波器(LCfilter)才能解决此问题。但是目前的电子产品为了符合轻薄短小以及省电的市场需求，通常不会有多余的空间来容纳此大尺寸的电感-电容滤波器。

为了解决上述的问题，可以插入一中间电平于量化器的二位阶的输出信号之间，并将量化器的输出信号由二位阶转换成三位阶。然而，由于制程的关系，反馈路径上的反馈元件不可能完全相同，则反馈元件间的不匹配误差会造成此中间电平的误差，进而影响整个系统的准确度。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种使用积分三角调变的放大器及方法，其提供一误差抑制电路并依据积分三角调变器所产生的输入电压来调整一功率级电路的输出电压，以解决先前技术中的问题。

本发明的实施例揭露了一种使用积分三角调变的放大器。放大器包含积分三角调变电路、功率级电路、一组反馈元件、误差抑制电路以及一选择电路。积分三角调变电路根据两输入信号(或一单端信号(single-ended signal))产生两输入电压。功率级电路耦接于积分三角调变器，用来根据两输入电压或一误差调整电压提供两输出电压。该组反馈元件包含第一反馈元件以及第二反馈元件，分别耦接于功率级电路的两输出端与积分三角调变器的两输入端之间，该第一与第二反馈元件间存在不匹配误差。误差抑制电路耦接于积分三角调变电路与功率级电路，依据积分三角调变器所输出的该两输入电压来产生该误差调整电压。该选择电路于该两输入电压对应不同逻辑电平时，输出该两输入电压至该功率级电路，于该两输入电压对应相同逻辑电平时，输出该误差调整电压至该功率级电路，藉以调整功率级电路的中间电平的表示，以抑制第一反馈元件与第二反馈元件的不匹配误差。其中，该两输出电压之差对应三电平-1、0以及1。

本发明的实施例揭露了一种调整使用积分三角调变的放大器的误差的方法，其包含：根据两输入信号或一单端信号产生两输入电压；根据两输入电压产生一误差调整电压；判断该两输入电压对应相同逻辑电平或不同逻辑电平，以产生一判断结果；当该判断结果指出该两输入电压对应不同逻辑电平时，输出该两输入电压，而当该判断结果指出该两输入电压对应相同逻辑电平时，输出该误差调整电压，以抑制该误差；以及根据该两输入电压或该误差调整电压提供两输出电压。

本发明的实施例另揭露了一种具有抑制元件不匹配误差功能的电路，其包含一输入电路、一输出电路、一反馈电路、一误差抑制电路以及一选择电路。输入电路用来根据两输入信号或一单端信号产生两输入电压。输出电路耦接于该输入电路，用来根据该两输入电压或一误差调整电压来提供两输出电压。反馈电路包含一第一反馈元件以及一第二反馈元件，分别耦接于该输出电路的两输出端与该输入电路的两输入端之间，该第一与第二反馈元件间存在不匹配误差。误差抑制电路耦接于该输入电路与该输出电路，用来依据该两输入电压提供该误差调整电压。于该两输入电压的逻辑电平对应一第一预定情形时，选择电路输出该两输入电压至该输出电路；当该两输入电压的逻辑电平对应一第二预定情形时，选择电路会输出该误差调整电压至该输出电路，以抑制该第一反馈元件与该第二反馈元件的不匹配误差，其中该第一预定情形不同于该第二预定情形。

附图说明

图1为本发明使用积分三角调变的放大器的一实施例的示意图。

图2A、2B为两输入电压关系示意图。

图3为说明图1所示的第一反馈元件与第二反馈元件的不匹配误差所造成的误差电压的示意图。

图4A、4B为说明图3的误差电压于两输出电压之差对应于不同逻辑电平下的电压值的示意图。

图5为本发明调整使用积分三角调变的放大器的误差的方法的一操作范例的流程图。

图6为图1所示的误差抑制电路的一范例的示意图。

【主要元件符号说明】

100                 放大器

120                 积分三角调变电路

130                 多路复用器

140                 功率级电路

150                 第一反馈元件

160                 第二反馈元件

180                 误差抑制电路

122、124、142、144  输入端

146、148            输出端

S_IN1、S_IN2          输入信号

V_IN1、V_IN2          输入电压

(V_IN1-V_IN2)         两输入电压之差

V_OUT1、V_OUT2        输出电压

(V_OUT1-V_OUT2)       两输出电压之差

S_C                  误差调整电压

G(1+Δ)、G(1-Δ)    电导值

Δ                  不匹配误差

Z_ci                 内部组抗

Vfb                 反馈信号

Vsig                信号电压

Verr                误差电压

400                 表格

502～520    步骤

610         XNOR门

620         第一级加法

630         选择器

640         第二级加法器

C_OUT        控制输出

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明具有抑制元件不匹配误差功能的电路100的一实施例示意图，在本实施例中，电路100为一放大器100。放大器100包含输入电路120(本实施例中为一积分三角调变电路120)、选择电路130(本实施例中为一多路复用器130)、输出电路140(本实施中为一功率级电路140)、第一反馈元件150、第二反馈元件160以及误差抑制电路180。如图1所示，积分三角调变电路120接收两输入信号S_IN1、S_IN2(在本发明另一实施例中该积分三角调变电路120接收一单端信号)以及由功率级电路140输出端146、148所反馈回来的反馈信号，并根据所接收的信号来产生两输入电压V_IN1、V_IN2。多路复用器130接收两输入电压V_IN1、V_IN2以及误差抑制电路180的误差调整电压S_C，并于于两输入电压V_IN1、V_IN2对应不同逻辑电平时，输出两输入电压V_IN1、V_IN2至功率级电路140的二输入端142、144，而于两输入电压V_IN1、V_IN2均对应同一电平时，输出误差调整电压S_C至功率级电路140的二输入端142、144。功率级电路140耦接于多路复用器130，用来根据两输入电压V_IN1、V_IN2或误差调整电压S_C来提供两输出电压V_OUT1、V_OUT2。而第一反馈元件150与第二反馈元件160分别耦接于功率级电路140的两输出端146、148与积分三角调变器120的两输入端122、124之间，由于两反馈元件150、160之间存在不匹配误差，故由两输出端146、148反馈至两输入端122、124的两反馈信号亦会不同。误差抑制电路180则耦接于积分三角调变电路120与多路复用器130，其输入端耦接于积分三角调变电路120所输出的两输入电压V_IN1、V_IN2，用来依据两输入电压V_IN1、V_IN2来产生误差调整电压S_C至多路复用器130。关于上述的各元件的运作方式与与各信号的关系，将于下面的实施例中进一步详细说明。

请注意，上述的第一反馈元件150与第二反馈元件160可由一电阻来实施，但并不局限于此，亦可为其他元件来实施。再者，积分三角调变器120可包含积分器、加法器、滤波器以及量化器等元件的任意排列组合，且本领域技术人员应可了解其个数并不限定。此外，放大器100可为一D类放大器，但并非本发明的限制条件，亦可为其他种类的放大器。

请参考图2A、2B，图2A、2B为两输入电压V_IN1、V_IN2信号关系示意图。如2A所示，两输入电压V_IN1、V_IN2各包含两电平0(第一电平)、1(第二电平)。如2B所示，两输入电压V_IN1、V_IN2之差(V_IN1-V_IN2)所对应的电平具有三位阶，包含三电平-1、0以及1，其中电平0表示两输入电压V_IN1、V_IN2具有相同电平(亦即V_IN1、V_IN2皆对应第二电平或者皆为第一电平)。同理，两输出电压V_OUT1、V_OUT2依据两输入电压V_IN1、V_IN2所产生，则两输出电压V_OUT1、V_OUT2之差(V_OUT1-V_OUT2)所对应的电平亦具有三位阶，包含三电平-1、0以及1，其中电平0表示两输出电压V_OUT1、V_OUT2具有相同电平(亦即V_OUT1、V_OUT2皆对应第二电平或者皆为第一电平)。请注意，上述的两输入电压之差(V_IN1-V_IN2)所对应的三电平-1、0、1以及两输出电压之差(V_OUT1-V_OUT2)所对应的三电平-1、0、1，对应于相同的物理意义。

请参考图3，图3为说明图1所示的第一反馈元件150与第二反馈元件160的不匹配误差所造成的误差电压的示意图。如图3所示，假设第一反馈元件150的电导值为G(1+Δ)，而第二反馈元件160的电导值为G(1-Δ)，其中Δ表示第一反馈元件150与第二反馈元件160的不匹配误差。此外，以Z_ci代表积分三角调变电路120的内部组抗，以+0.5V_P、-0.5V_P分别代表输出电压V_OUT1、V_OUT2的高低电平，则经过反馈路径后的反馈信号Vfb可由下列的式子得知：

Vfb＝Vsig+Verr

＝V_OUT1×G(1+Δ)×Z_ci-V_OUT2×G(1-Δ)×Z_ci

＝(V_OUT1-V_OUT2)×G×Z_ci-(V_OUT1+V_OUT2)×Δ×G×Z_ci    (1)

由式子(1)可得知，反馈信号Vfb包含两个部分：信号电压Vsig以及反馈元件的不匹配误差所造成的误差电压Verr，其中误差电压Verr可由(V_OUT1+V_OUT2)×Δ×G×Z_ci来表示。

请参考图4A、4B，图4A、4B为说明图3的误差电压Verr于两输出电压之差(V_OUT1-V_OUT2)对应于不同电平下的电压值的示意图。如4A所示，将输出电压V_OUT1、V_OUT2分别以+0.5V_P或-0.5V_P来表示，并带入误差电压Verr的式子中，可以得到当两输出电压之差(V_OUT1-V_OUT2)对应于不同电平(-1、0、1)时误差电压Verr的电压值。由4A的表格400以及4B的图形可以得知，在两输出电压之差(V_OUT1-V_OUT2)对应于电平0时，两反馈元件150、160的不匹配误差会产生误差电压Verr。换句话说，在两输出电压V_OUT1、V_OUT2具有相同电平(亦即V_OUT1＝V_OUT2＝+0.5V_P或者V_OUT1＝V_OUT2＝-0.5V_P)时，两反馈元件150、160的不匹配误差会产生误差电压Verr。

请参考图5，图5为本发明调整使用积分三角调变的放大器的误差的方法的一操作范例的流程图，其包含(但不局限于)以下的步骤(请注意，假若可获得实质上相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图5所示的执行次序来执行)：

步骤502：流程开始；

步骤504：根据两输入信号(于本发明另一实施例中可为一单端信号)与反馈信号产生两输入电压；

步骤506：依据两输入电压产生一误差调整电压，该误差调整电压对应电平1或电平0；

步骤508：判断两输入电压对应相同逻辑电平或不同逻辑电平，若不同，则执行步骤510，若相同则执行步骤520；

步骤510：当两输入电压对应不同逻辑电平时，输出两输入电压以提供两输出电压；以及

步骤520：当两输入电压对应相同逻辑电平时，输出该误差调整电压以作为两输出电压，藉以抑制反馈信号所产生的元件不匹配的影响。

接下来，将配合图5所示的各步骤与图1所示的各元件说明各元件之间如何运作。于步骤504中，积分三角调变电路120根据两输入信号S_IN1、S_IN2与反馈信号产生两输入电压V_IN1、V_IN2，接着，误差抑制电路180会依据两输入电压V_IN1、V_IN2来产生误差调整电压S_C给多路复用器130(步骤506)。多路复用器130会依据判断两输入电压V_IN1、V_IN2对应相同逻辑电平或不同逻辑电平(步骤508)的判断结果来选择输出两输入电压V_IN1、V_IN2或误差调整电压S_C，当两输入电压V_IN1、V_IN2对应不同逻辑电平时，多路复用器130会输出两输入电压V_IN1、V_IN2给功率级电路140以提供两输出电压V_OUT1、V_OUT2(步骤510)；当两输入电压V_IN1、V_IN2对应相同逻辑电平时，多路复用器130会输出误差调整电压S_C给功率级电路140，以作为两输出电压V_OUT1、V_OUT2，藉以抑制反馈信号所产生的元件不匹配的影响(步骤520)。

上述流程的步骤仅为本发明所举可行的实施例，并非限制本发明的限制条件，且在不违背本发明的精神的情况下，此方法的步骤顺序可更变，亦可包含其他的中间步骤或者可将几个步骤合并成单一步骤。

请参考图6，图6为图1所示的误差抑制电路180的一范例的示意图。如图6所示，误差抑制电路180以二阶整形函数(2^nd shaping function)来实作，其包含一XNOR门(XNOR gate)610、第一级加法器620(本实施例中加法器620为一位元加法器)、选择器630以及第二级加法器640(本实施例中加法器640为一位元加法器)。首先，积分三角调变电路120的两输入电压V_IN1、V_IN2会先经过XNOR门610产生一控制输出C_OUT，当两输入电压V_IN1、V_IN2具有相同电平时，此时控制输出C_OUT为逻辑1，选择器630才会启动误差抑制电路180；当两输入电压V_IN1、V_IN2的电平不同时，此时控制输出C_OUT为逻辑0，选择器630不会启动误差抑制电路180。最后，误差抑制电路180输出误差调整电压S_C给图1的多路复用器130，多路复用器130会根据两输入电压V_IN1、V_IN2对应相同或不同逻辑电平来决定输出两输入电压V_IN1、V_IN2至功率级电路140以作为两输出电压V_OUT1、V_OUT2或者输出误差调整电压S_C至功率级电路140以作为两输出电压V_OUT1、V_OUT2，来调整功率级电路140的中间电平的表示，以抑制第一反馈元件150与第二反馈元件160的不匹配误差。本实施例中，多路复用器130可根据XNOR门610的控制输出C_OUT来决定输出两输入电压V_IN1、V_IN2或者误差调整电压S_C，当控制输出C_OUT为逻辑0时，多路复用器130会输出两输入电压V_IN1、V_IN2至功率级电路140；当为逻辑1时，多路复用器130会输出误差调整电压S_C至功率级电路140。另外，本实施例中，多路复用器130包含两多路复用单元，其一依据控制输出C_OUT来决定输出输入电压V_IN1或误差调整电压S_C至功率级电路140的一输入端；另一依据控制输出C_OUT来决定输出输入电压V_IN2或误差调整电压S_C至功率级电路140的另一输入端。

请注意，上述的误差抑制电路180仅为本发明可行的实施例之一，并非本发明的限制条件，本领域技术人员应可了解，误差抑制电路180可采用一动态元件匹配(dynamic element matching)架构或者其他校正机制来实作。另外，虽然上述实施例是以依据两输入电压产生对应三位阶的两输出信号为例，然本发明并不以此为限，本领域技术人员可依据本说明书的揭露内容来实现依据复数个(两个或两个以上)输入电压来产生对应多位阶(三位阶或三位阶以上)的输出信号。

以上所述的实施例仅用来说明本发明的技术特征，并非用来局限本发明的范畴。由上可知，本发明提供一种使用积分三角调变的放大器，以及调整此放大器的误差的方法。依积分三角调变器的输出来调整功率级电路140的中间电平的表示，可以抑制两反馈元件的不匹配误差，进而提高系统的准确度。此外，功率级放大器140的两输出电压之差(V_OUT1-V_OUT2)不会再有在-1跟1之间不停跳动的问题发生，如此一来，不但可以提高放大器的效能，且无须增加大尺寸的电感-电容滤波器，对于手持电子装置而言，不但可以节省面积更可以节省成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种使用积分三角调变的放大器，包含有：

一积分三角调变电路，用来根据两输入信号或一单端信号产生两输入电压；

一功率级(power stage)电路，耦接于该积分三角调变电路，用来根据该两输入电压或一误差调整电压来提供两输出电压；

一组反馈元件，包含一第一反馈元件以及一第二反馈元件，分别耦接于该功率级电路的两输出端与该积分三角调变电路的两输入端之间，该第一与第二反馈元件间存在不匹配误差；

一误差抑制(error suppression)电路，耦接于该积分三角调变电路与该功率级电路，用来依据该两输入电压提供该误差调整电压；以及

一选择电路，当该两输入电压对应不同逻辑电平时，输出该两输入电压至该功率级电路，当该两输入电压对应相同逻辑电平时，输出该误差调整电压至该功率级电路，以抑制该第一反馈元件与该第二反馈元件的不匹配误差(mismatch error)。

2.如权利要求1所述的放大器，其中该两输出电压之差对应三电平-1、0以及1。

3.如权利要求2所述的放大器，其中该误差抑制电路于该两输出电压对应相同逻辑电平时启动，以抑制该第一反馈元件与该第二反馈元件的不匹配误差。

4.如权利要求1所述的放大器，其中该误差抑制电路仅于该两输入电压具有相同逻辑电平时启动，以抑制该第一反馈元件与该第二反馈元件的不匹配误差。

5.如权利要求1所述的放大器，其中该误差抑制电路采用一动态元件匹配(dynamic element matching)架构。

6.如权利要求1所述的放大器，其为一D类放大器。

7.一种调整使用积分三角调变的放大器的误差的方法，包含有：

根据两输入信号或一单端信号产生两输入电压；

根据该两输入电压产生一误差调整电压；

判断该两输入电压对应相同逻辑电平或不同逻辑电平，以产生一判断结果；

当该判断结果指出该两输入电压对应不同逻辑电平时，输出该两输入电压，而当该判断结果指出该两输入电压对应相同逻辑电平时，输出该误差调整电压，以抑制该误差；以及

根据该两输入电压或该误差调整电压提供两输出电压。

8.如权利要求7所述的方法，其中该两输出电压之差对应三电平-1、0以及1。

9.一种具有抑制元件不匹配误差功能的电路，包含有：

一输入电路，用来根据两输入信号或一单端信号产生两输入电压；

一输出电路，耦接于该输入电路，用来根据该两输入电压或一误差调整电压来提供两输出电压；

一反馈电路，包含一第一反馈元件以及一第二反馈元件，分别耦接于该输出电路的两输出端与该输入电路的两输入端之间，该第一与第二反馈元件间存在不匹配误差；

一误差抑制(error suppression)电路，耦接于该输入电路与该输出电路，用来依据该两输入电压提供该误差调整电压；以及

一选择电路，当该两输入电压的逻辑电平对应一第一预定情形时，输出该两输入电压至该输出电路，当该两输入电压的逻辑电平对应一第二预定情形时，输出该误差调整电压至该输出电路，以抑制该第一反馈元件与该第二反馈元件的不匹配误差(mismatch error)，其中该第一预定情形不同于该第二预定情形。

10.如权利要求9所述的电路，其中该第一预定情形是该两输入电压的逻辑电平不同，该第二预定情形是该两输入电压的逻辑电平相同。

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