CN102163975A

CN102163975A - 高解析度三角积分数字至模拟转换器及其操作方法

Info

Publication number: CN102163975A
Application number: CN2010102248183A
Authority: CN
Inventors: 马汀·肯亚
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: CN102163975B; US20110199246A1; US8031096B2

Abstract

本发明提供一种三角积分数字至模拟转换器及其操作方法，该数字至模拟转换器包括第一级，包括三角积分噪声整形回路，其中该第一级用以接收一输入信号，该第一级包括一第一量化器，具有第一量化误差，而该第一级提供一第一级输出；第一DAC，用以接收该第一级输出并提供第一模拟输出；第二级，用以接收该第一量化误差；第二DAC，用以接收该数字微分器输出并提供一第二模拟输出；一加法器，用以将该第一模拟输出与该第二模拟输出相加，以提供一第三模拟输出；该第二级用以对该数字微分器提供一第二级输出，以消除该第一量化误差并抑制该第三模拟输出中的该带内噪声。本发明可在使用较少元件数量及消耗较少功率的情况下达到相对高的解析度。

Description

高解析度三角积分数字至模拟转换器及其操作方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术，尤其涉及三角积分数字至模拟转换器。

背景技术

数字至模拟转换器(DAC)是一种将数字信号转换成模拟信号的装置。DAC中所应用的三角积分调变技术为一种将高解析度信号编码成低解析度信号的方法，其采用脉冲密度调变(pulse-density modulation)。采用此技术的集成电路能够以低成本的CMOS工艺(例如制造数字集成电路的工艺)轻易达到相当高的解析度。

然而，传统采用单级噪声整形回圈调变器的三角积分DAC必须以高的超取样率(over-sampling ratios，OSR)来达成高解析度，因此消耗更多的电源。(超取样率是用来降低所关注频带中的噪声。)此外，单级调变器在企图使用高解析度截断DAC时，会因为需要大量转换元件及动态元件匹配技术(dynamicelement matching，DEM)(DEM为集成电路设计中用来补偿元件不匹配的技术)而遭遇到许多困难。再者，单级高阶调变器容易不稳定、需要复杂的单级拓扑架构、并且在处理多位量化上会使用较大的集成电路空间。

另一方面，传统采用串接式调变器的三角积分DAC会占用大量的集成电路面积。举例而言，某些使用校正路径(correction path)的DAC在进行噪声消除上必须应用模拟微分器，而在模拟环境中使用微分器却是一件复杂且耗费能量的工作。

因此，在操作三角积分DAC上，需要一种新的方法。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种三角积分数字至模拟转换器(DAC)，包括一第一级包括一三角积分噪声整形回路，其中该第一级用以接收一输入信号，该第一级包括一第一量化器，该第一量化器具有一第一量化误差，其中该三角积分噪声整形回路用以抑制一带内噪声，而该第一级用以提供一第一级输出；一第一DAC，用以接收该第一级输出并提供一第一模拟输出；一数字微分器，用以提供一数字微分器输出；第二DAC，用以接收该数字微分器输出并提供一第二模拟输出；一加法器，用以将该第一模拟输出与该第二模拟输出相加，以提供一第三模拟输出；以及一第二级，用以接收该第一量化误差，其中该第二级用以对该数字微分器提供一第二级输出，以消除该第一量化误差并抑制该第三模拟输出中的该带内噪声。

本发明还提供一种操作三角积分数字至模拟转换器(DAC)的方法，包括：将一输入信号提供至具有一三角积分噪声整形回路的一第一级，其中该第一级具有一第一量化器，而该第一量化器具有一第一量化误差；利用该第一级降低一带内噪声以提供一第一级输出；将该第一级输出提供至一第一DAC，其中该第一DAC提供一第一模拟输出；将该第一量化误差耦合至一第二级，其中该第二级将一第二级输出提供至一数字微分器；利用该数字微分器滤波该第二级输出，其中该数字微分器提供一数字微分器输出；将该数字微分器输出提供至一第二DAC，其中该第二DAC提供一第二模拟输出；以及利用一加法器将该第一模拟输出与该第二模拟输出相加以提供一第三模拟输出，借此抵消该第一量化误差，并抑制该第三模拟输出中的该带内噪声。

本发明还提供一种操作三角积分数字至模拟转换器(DAC)的方法，包括：将一输入信号提供至具有一三角积分噪声整形回路的一第一级，其中该第一级具有一第一量化器，而该第一量化器具有一第一量化误差；利用该第一级减少带内噪声以提供一第一级输出；将该第一级输出提供至一第一DAC，其中该第一DAC提供一第一模拟输出；将该第一量化误差提供至一第二级，其中该第二级将一第二级输出提供至一数字微分器；以一级间增益k1调整该第二级所接收的该第一量化误差以提供一调整的第一量化误差，其中k1为一大于或等于1的数；以一第二量化器将该调整的第一量化误差量化以提供一第二量化器输出，其中该第二量化器具有一第二量化误差；以一级间增益1/k1调整该第二级输出，之后利用该数字微分器滤波该第二级输出，其中该数字微分器提供一数字微分器输出；将该数字微分器输出提供至一第二DAC，其中该第二DAC提供一第二模拟输出；以及利用一加法器将该第一模拟输出与该第二模拟输出相加以提供一第三模拟输出，借此抵消该第一量化误差，并抑制该第三模拟输出中的该带内噪声。

本发明可在使用较少元件数量及消耗较少功率的情况下达到相对高的解析度。

附图说明

图1为本发明的三角积分数字至模拟转换器示意图。

图2为本发明图1中三角积分DAC的实施例。

图3为传统DAC与本发明图2的DAC 200所用元件数量的比较表。

图4为本发明图2DAC 200与传统DAC的信噪比较图。

图5为操作本发明图1的三角积分DAC的方法。

其中，附图标记说明如下：

101a～输入信号；

101b～第一量化误差；

102～第一级；

103～第一级输出；

104～第一DAC；

105～第一模拟输出；

106～第二级；

108～数字微分器；

109～数字微分器输出；

110～第二DAC；

111～第二模拟输出；

112～无限脉冲响应滤波器；

114～AFIR；

116～加法器；

118～第三模拟输出；

201～比例误差；

203～相加的信号；

205～第二量化器输出信号；

208～第二量化器；

209～误差信号；

211～第三量化误差；

212～第三量化器；

213～第三量化器输出；

214～1/k2级间增益；

215～处理后的信号；

216～数字滤波器；

217～回馈信号；

218～加法器；

219～加法器；

220～DAC；

221～加法器；

222～加法器。

具体实施方式

下文为介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围当以所附的权利要求为准。

图1为本发明的三角积分数字至模拟转换器(DAC)示意图。三角积分DAC 100接收一数字输入信号X(z)101a并将其转换成一模拟输出信号Y(z)118。三角积分DAC 100包括串联级，即第一级102与第二级106。第一级102包括一三角积分(Δ∑；或称积分三角，∑Δ)噪声整形回路，其接收输入信号X(z)并通过抑制带内噪声(即所关注频带中的噪声)的方式而产生第一级输出103(M1-位)。三角积分噪声整形回路为公知装置，具有各种用途。同样的，第一级102包括具有第一量化误差101b的一第一量化器(图1未示，图2的202)。

在输入信号X(z)101a通过具有三角积分噪声整形回路的第一级102之后，第一级输出103会被传送至第一DAC104。第一DAC104将该第一级输出103转换成一模拟信号而提供一第一模拟输出105。本发明可选择性地采用模拟无限脉冲响应(模拟无限脉冲响应，AFIR)滤波器114，以进一步在该第一模拟输出105传送至加法器116前将其滤波。

第一量化误差101b(即e(z))被耦合至第二级106。之后，第二级106通过重新量化第一量化误差101b的方法，对第一量化误差101b进行噪声整形，其通过图2的第二(M2位)量化器208与第三(M3位)212，并以调整级间增益、滤波、及回馈等方式(将于后文配合图2说明)提供第二级输出107。第二级输出107可被进一步滤波(可通过无限脉冲响应(FIR)滤波器112，其非必要)而后耦接至数字微分器108。数字微分器108对其输入信号执行微分运算以提供一数字微分器输出109。第二DAC110(M4位)将该数字微分器输出109转换成一第二模拟输出111。

相较于使用复杂模拟微分器的传统DAC而言，使用数字微分器108可减少模拟运算与数字运算间的换算。下文中，关于M1、M2、M3与M4位间的关系为：M1≤M2≤M3≤M4。加法器116将第一模拟输出105(或115，如果使用AFIR114的话)与第二模拟输出111结合以提供一第三模拟输出118(即Y(z))。

三角积分DAC 100的功能在于通过将第一级102上相对大的第一量化误差e(z)消除的方式，达到将误差最小化的目的。如下文关于图2的说明，在将第2级106中第二量化器(M2位)的第二量化误差(即图2的e2(z))消除后，仅留下第三量化器(M3位)中相对小的第三量化误差(即图2的e3(z))。之后，e3(z)的频谱可被整形(使用数字微分器108与模拟滤波器216对其进行高通滤波)，而带内噪声可获得抑制。

图2为本发明图1中三角积分DAC的实施例。第一级102包括第一(M1位)量化器202。由于第一级102中的三角积分噪声整形回路为公知技术且具有多种实施方式，故图中以转移函数204a与204b表示该第一级102，而非以其他形态表示。第一级102具有转移函数204a，其可对输入信号X(z)进行n阶延迟，而转移函数204b可对第一量化误差e(z)进行n阶微分，其中n为正整数。

第一DAC104将第一级输出103转换成一模拟信号以提供第一模拟输出105。当M1大于1位时，第一DAC104具有非线性误差e_d1，而第一DAC104也具有可补偿上述非线性误差的DEM。在其他实施例中，当M1为1位时，则第一DAC104不具有DEM，由于单位DAC本身即为线性，故不需要使用DEM技术。

第二级106包括206上的级间增益k₁，其中k₁大于或等于1的数值。第一量化误差101b依照级间增益k₁而调整比例。在一实施例中，k₁为2。比例误差201(带负号)与回馈信号217(带负号)相加于加法器218。第二量化器208(M2位)将此相加的信号203量化。第二量化器输出信号205在加法器219上被加入。第二量化器208具有第二量化误差e₂(z)。加法器221将第二量化器输出205减去第二量化器输入203可得到第二量化误差e₂(z)，而后210将第二量化误差e₂(z)以级间增益k₂进行调整，其中k₂为大于或等于1的数值。在一实施例中，k₂为2^M2。经增益k调整后的误差信号209接着被第三量化器212(M3位)量化，再被214的级间增益1/k₂调整，之后被加入于加法器219上。由于使用管线型量化器如第二量化器208与第三量化器212的原因，三角积分DAC 200相较于快速量化器(即即时/平行量化器)而言更具有空间效率。

加法器222将第三量化器输出213减除第三量化器输入209后可提取出第三量化误差e₃(z)211，而第三量化误差e₃(z)211将通过数字滤波器F(z)216而被进一步滤波。滤波后的信号217被供应至加法器218而为一回馈信号217。加法器219将第二量化器输出信号205与1/k₂级间增益214处理后的信号215相加，而产生相加的信号220。以级间增益1/k₁调整该相加的号220后可得到第二级输出107。图2的数字微分器108以其转移函数表示，可进行n阶微分。由于该微分器是以数字方式实施，因而避免使用在集成电路使用模拟微分器所造成的复杂性。第二DAC110(M4位)具有DEM，可对非线性误差d2所造成的元件不匹配进行补偿。

三角积分DAC 200的转移函数可表示为下列公式1：

Y (z) = X (z) . z^{- n} + \frac{e_{3} (z)}{k_{1} k_{2}} (1 - F (z) . k_{2}) {(1 - z^{- 1})}^{- n}

(公式1)

公式1表示第一级102的相对大的第一量化误差e(z)与第二级106中第二量化器208的第二量化误差e2(z)同样被消除，转移函数中仅留下相对小的第三量化误差e3(z)。公式1的第二项具有噪声整形功能(其为e₃(z)的n阶噪声整形)，并被级间增益k₁与k₂所调整。将e₃(z)的频谱结构整形(即被数字微分器108滤波，并被比例因子k₁k₂调整)后可达到抑制带内功率的效果。因此，借由使用级间增益调整最终的量化误差e₃(z)可强化噪声整形的功能。级间增益大体提升了整体解析度，且可以数字方式实施，因而不需使用复杂的模拟放大器。

举例而言，若n＝2而F(z)＝z^-1/k²，则1-F(z)k₂＝1-z^-1，公式1的转移函数变成：

Y (z) = X (z) . z^{- 2} + \frac{e_{3} (z)}{k_{1} k_{2}} {(1 - z^{- 1})}^{- 3}

(公式2)

在公式2中，第二项具有噪声整形的功能(其为e₃(z)的三阶噪声整形，并依级间增益k₁与k₂调整比例)。其增强噪声整形功能抑制带内噪声的效果。虽然此实施例以特定的数字滤波器F(z)216作说明，但其他实施例仍可使用不同的数字滤波器以提供公式1的转移函数。本领域普通技术人员可了解本发明可具有多种实施方式。

图3为传统DAC与本发明图2的DAC 200所用元件数量的比较表。本发明DAC 200的解析度为(M1+M4)位。一般而言，在一实施例中，传统使用单级设计(M1+M4)位解析度的DAC所需要DAC元件的数量为2(M1+M4)个。相较而言，本发明图2DAC 200所需的DAC元件数量则为(2M1+2M4)个。

举例而言，当本发明的DAC 200为M1＝M4＝3位时，则有效解析度为(M1+M4)＝6位。在一实施例中，当传统使用单级设计的DAC的解析度为6位时，其所需DAC元件的数量为2⁶＝64个。相较而言，本发明DAC 200所需DAC元件的数量为2³+2³＝16个。因此，在6位DAC的实施例中，本发明DAC 200所需要元件不到传统DAC所需元件的四分之一。因此，与传统DAC相比，图1及图2所示的三角积分DAC可在使用较少元件数量及消耗较少功率的情况下达到相对高的解析度。

此外，本发明有效量化噪声抑制能力可对应到单级DAC的M4*k₁*k₂水准，并使用较少的DAC单位件。使用较少的DAC元件数量即表示占用较小的集成电路空间。

图4为本发明图2DAC 200与传统DAC的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)比较图。图4假设传统DAC与本发明DAC 200均具有相同元件数量的三阶噪声整形器。本发明DAC 200的SNR402对各种输入信号电平均能保持较传统DAC的SNR404更佳的信噪比。

图5为操作本发明图1的三角积分DAC的方法。在步骤502中，输入信号X(z)101a被提供至具有三角积分噪声整形回路的第一级102。第一级102具有第一量化器202，而该第一量化器202具有第一量化误差101b，即e(z)。在步骤504中，利用第一级102降低带内噪声以提供一第一级输出103。在步骤506中，第一级输出103被提供至第一DAC104(M1位)。第一DAC104提供一第一模拟输出105。在步骤508中，第一量化误差101b被耦合至一第二级106。第二级106对一数字微分器108提供一第二级输出107。在步骤510中，使用数字微分器108对第二级输出107进行滤波。数字微分器108提供一数字微分器输出109。在步骤512中，数字微分器输出109被提供至第二DAC110(M4位)。第二DAC110提供一第二模拟输出111。在步骤514中，加法器116将第一模拟输出105与第二模拟输出111相加以提供第三模拟输出118，即Y(z)。在第三模拟输出118中，第一量化误差101b可被消除，而带内噪声被抑制。

本发明虽以优选实施例揭示如上，但任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。此外，本发明的范围不必以本发明中特定工艺、机器、产品、物的组合、手段、方法及步骤等实施例为限。因此，其他可执行本发明的工艺、机器、产品、物的组合、手段、方法及步骤等实施例的技术，无论是已经存在，或者将被发展出来，均包含于本发明欲涵盖的范围之中。

上述方法实施例中说明了各项步骤，但这些步骤不必依照文中的顺序。上述步骤均可依照本发明的限制被适当地增加、改变、替换或删除。

虽然本发明各项权利要求仅介绍单一实施例，但本领域普通技术人员在阅读本文件后可了解到，不同的权利要求或实施例的组合也在本发明的范围之中。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围，以及其均等范围为准。

Claims

1.一种三角积分数字至模拟转换器，该数字至模拟转换器即DAC，包括：

一第一级，包括一三角积分噪声整形回路，其中该第一级用以接收一输入信号，该第一级包括一第一量化器，该第一量化器具有一第一量化误差，其中该三角积分噪声整形回路用以抑制一带内噪声，而该第一级用以提供一第一级输出；

一第一DAC，用以接收该第一级输出并提供一第一模拟输出；

一数字微分器，用以提供一数字微分器输出；

第二DAC，用以接收该数字微分器输出并提供一第二模拟输出；

一加法器，用以将该第一模拟输出与该第二模拟输出相加，以提供一第三模拟输出；以及

一第二级，用以接收该第一量化误差，其中该第二级用以对该数字微分器提供一第二级输出，以消除该第一量化误差并抑制该第三模拟输出中的该带内噪声。

2.如权利要求1所述的三角积分数字至模拟转换器，其中该第二级具有用以调整该第一量化误差的一级间增益k₁，而该第二级具有用以调整该第二级输出的一级间增益1/k₁，而k₁为大于或等于1的数。

3.如权利要求1所述的三角积分数字至模拟转换器其中该第二级具有一第二量化器及一第三量化器，该第二量化器具有一第二量化误差，而该第二级用以消除该第二量化误差。

4.如权利要求3所述的三角积分数字至模拟转换器，其中一级间增益k₂用以调整该第二量化误差，其在被调整之后被该第三量化器接收，该第三量化器提供一第三量化器输出，一级间增益1/k₂用以调整该第三量化器输出，其在被调整之后被加入该第二量化器输出以提供该第二级输出，而k₂为大于或等于1的数。

5.如权利要求4所述的三角积分数字至模拟转换器其中该第三量化器具有一第三量化误差，该第三量化误差通过一数字滤波器，之后被回馈至该第二量化器。

6.一种操作三角积分数字至模拟转换器的方法，该数字至模拟转换器即DAC，包括：

将一输入信号提供至具有一三角积分噪声整形回路的一第一级，其中该第一级具有一第一量化器，而该第一量化器具有一第一量化误差；

利用该第一级降低一带内噪声以提供一第一级输出；

将该第一级输出提供至一第一DAC，其中该第一DAC提供一第一模拟输出；

将该第一量化误差耦合至一第二级，其中该第二级将一第二级输出提供至一数字微分器；

利用该数字微分器滤波该第二级输出，其中该数字微分器提供一数字微分器输出；

将该数字微分器输出提供至一第二DAC，其中该第二DAC提供一第二模拟输出；以及

利用一加法器将该第一模拟输出与该第二模拟输出相加以提供一第三模拟输出，借此抵消该第一量化误差，并抑制该第三模拟输出中的该带内噪声。

7.如权利要求6所述的操作三角积分数字至模拟转换器的方法，还包括：

以一级间增益k₁调整该第二级所接收的该第一量化误差，其中k₁为大于或等于1的数；以及

以一级间增益1/k₁调整该第二级输出。

8.如权利要求6所述的操作三角积分数字至模拟转换器的方法，还包括将利用一第二量化器将该第二级所接收的该第一量化误差予以量化而提供一第二量化器输出，其中该第二量化器具有一第二量化误差。

9.如权利要求8所述的操作三角积分数字至模拟转换器的方法，还包括；

以一级间增益k₂调整该第二量化误差以提供一调整的第二量化误差，其中k₂为一大于或等于1的数；

利用一第三量化器将该调整的第二量化误差量化以提供一第三量化器输出，其中该第三量化器具有一第三量化误差；

以一级间增益1/k₂调整该第三量化输出以提供调整的第三量化器输出；以及

将该调整的第三量化器输出加至该第二量化器输出以提供该第二级输出。

10.如权利要求9所述的操作三角积分数字至模拟转换器的方法，还包括；

将该第三量化误差滤波以提供一滤波的第三量化误差；以及

将该滤波的第三量化误差回馈该第二量化器。