CN102244517B - 共享的交换电容式积分器及三角积分调变器及运作方法 - Google Patents

Abstract

共享的交换电容式积分器及三角积分调变器及其方法。一种使用共享的积分器的装置的运作方法，包括步骤。于一第一相位时间，对一第一信号取样，并同时由使用一共享的积分器的一放大器以进行一第一积分运算。于一第二相位时间，由使用此放大器以进行一第二积分运算，并同时对第二积分运算的积分结果取样。在实施例中，多阶积分器、三角积分模拟数字转换器能得以数量较少的放大器来实现，以降低功率消耗及电路面积。

Description

共享的交换电容式积分器及三角积分调变器及运作方法

技术领域

本发明是有关于一种交换电容式积分器及其方法，且特别是有关于一种共享的交换电容式积分器及其方法以及使用上述的三角积分调变器。

背景技术

三角积分调变(sigma-delta modulation)，广泛应用在各种电子元件的中，例如：模拟数字转换器、交换电容式滤波器、频率合成器，以至于无线通讯系统中。已知的三角积分调变器以其需要的积分次数(n)而言，定义为n阶三角积分调变器，n为正整数。如图1所示的二阶三角积分模拟数字转换器，对信号x(t)以取样频率f_s进行取样后所得的x_i进行三角积分调变以得到y_i，其中，进行两次积分运算，使用两个积分器。

由于三角积分调变具有噪声整形(noise shaping)的特性，越高阶的其噪声整形的效果越好。由于n阶的三角积分调变器需要n个积分器来实现，使用二阶或以上的高阶三角积分调变器的装置如模拟数字转换器或滤波器，会因此而大大增加功率的消耗及电路面积。

发明内容

本发明的实施例是有关于一种共享的交换电容式积分器及其方法以及应用电路。在一实施例中，一共享的交换电容式积分器能利用共享一个运算放大器的方式而达到两次积分的结果。如此，利用此共享的交换电容式积分器，使得二阶的三角积分调变只需要上述的一个共享的交换电容式积分器就能实现。在其它实施例中，n阶的三角积分调变器，只需要使用n/2或(n+1)/2个积分器就能实现。如此，电子系统能得以较低的消耗功率来使用高阶的三角积分调变器如模拟数字转换器，并能节省硬件面积。

根据本发明的一方面，提出一种使用共享的交换电容式积分器的装置，其包括一交换电容式积分器。此交换电容式积分器包括一第一交换电容电路、一第二交换电容电路、一回馈电容装置以及一运算放大器。第一交换电容电路具有一输入端及一输出端。第二交换电容电路具有一输入端及一输出端。回馈电容装置，选择性具有一第一电容值及一第二容值之一。运算放大器的一输入端耦接到第一交换电容电路的输出端及第二交换电容电路的输出端，运算放大器的一输出端耦接到第二交换电容电路的输入端。回馈电容装置耦接于运算放大器的此输入端及输出端之间。

根据本发明的另一方面，上述提出的使用交换电容式积分器的装置为一三角积分模拟数字转换器，三角积分模拟数字转换器还包括：一量化器及一数字转模拟转换器。量化器具有一输入端及一输出端，其中输入端耦接运算放大器的输出端。数字转模拟转换器，耦接于量化器的输出端及交换电容式积分器的运算放大器的输入端之间。

根据本发明的再一方面，提出一种使用共享的积分器的装置的运作方法，积分器包括一放大器，此方法包括以下步骤。(a)于一第一相位时间，对一第一信号进行取样，并同时由使用此放大器以进行一第一积分运算。(b)于一第二相位时间，由使用此放大器以进行一第二积分运算，并同时对第二积分运算的结果取样。

根据本发明的又一方面，提出一种使用共享的交换电容式积分器的装置，包括一交换电容式积分器。交换电容式积分器包括一第一交换电容电路、一第二交换电容电路、一回馈电容装置以及一放大器。回馈电容装置选择性具有多个预定电容值之一。回馈电容装置耦接于放大器的一输入端及一输出端之间，放大器耦接于第一交换电容电路的一输出端及第二交换电容电路的一输入端之间。于一第一相位时间，第一交换电容电路对一第一信号进行取样，并同时放大器及回馈电容装置进行一第一积分运算。于一第二相位时间，放大器及回馈电容装置进行一第二积分运算，并同时第二交换电容电路对第二积分运算的结果取样。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1为已知的二阶三角积分模拟数字转换器的示意图。

图2绘示依据本发明的一实施例的共享的交换电容式积分器的电路图。

图3绘示控制图2的共享的交换电容式积分器的时序图，以说明依据本发明一实施例的方法。

图4A及图4B分别绘示图2的积分器在第一时脉及第二时脉为致能时的等效电路。

图5绘示依据本发明的一实施例的二阶三角积分模拟数字转换器的方块图，其中，共享的交换电容式积分器系用作进行两次积分运算。

图6绘示依据本发明的一实施例的全差动的二阶三角积分模拟数字转换器的方块图。

图7绘示依据本发明的实施例的共享的交换电容式积分器的电路图的其它例子。

具体实施方式

请参照图2，依据本发明的一实施例的共享的交换电容式积分器(以下简称共享式积分器)的电路图。共享式积分器200包括一第一交换电容电路(switched capacitor circuit)210、一第二交换电容电路220、一放大器230及一回馈电容装置240。为简化标示方式，在图2及其它附图中的开关旁边的标示(如P1或P2)是代表此开关由控制信号P1或P2所控制。控制信号P1和P2是为两个非重迭的时脉，如图3所示。

在图2中，第一及第二交换电容电路210及220交互地共享放大器230以达成两次积分运算。第一及第二交换电容电路210及220分别包括各自的电容C1及C3，并各自包括4个由控制信号P1及P2控制的开关，作为取样或传输之用。放大器230如运算放大器，具有一反相输入端(以IN代表)、一非反相输入端及一输出端OUT。第一交换电容电路210的一输入端接收输入信号Ain且一输出端耦接至放大器230的反相输入端IN。第二交换电容电路220的一输入端及一输出端则分别耦接于放大器230的输出端OUT与反相输入端IN之间。回馈电容装置240，用以作为积分器中的回馈电容，耦接于放大器230的反相输入端IN与输出端OUT之间。回馈电容装置240包括电容C2及C4，并依据控制信号P1及P2于不同相位时，由开关(或其它选择元件如多任务器)作用下，使回馈电容装置240的电容值在电容C2及C4的两电容值之间切换。如此，因应两次积分运算时，第一及第二交换电容电路210及220交互地与回馈电容装置240及放大器230形成两个不同的积分运算的回路。

图2的共享式积分器200能利用共享放大器230而达到两次积分的结果。请参照图3的控制图2的共享式积分器的时序图，以说明依据本发明一实施例的共享式积分器200的运作方法。此方法对输入信号Ain及放大器230的输出端OUT的输出信号(以下简记为Ao)进行取样、积分的动作。

如图3所示，于一第一相位时间(或一时间间隔)，如控制信号P1致能时，同时对输入信号Ain取样以及对输出信号Ao的取样值作积分运算，其中可假设初始时电路被重置，输出信号Ao为0V。由于控制信号P2此时为禁能，故如图4A所示，第一交换电容电路210对输入信号Ain取样。在此同时，第二交换电容电路220将储存于电容C3的输出信号Ao的取样值传回放大器230的反相输入端IN，故第二交换电容电路220、等效于电容C4的回馈电容装置240及放大器230形成一积分回路(或称为第二积分回路)。

接着，于一第二相位时间(或另一时间间隔)，如控制信号P2致能时，同时对输入信号Ain的取样值积分以及对此时的输出信号Ao取样。由于控制信号P1此时为禁能，故如图4B所示，第一交换电容电路210、等效于电容C2的回馈电容装置240及放大器230形成一积分回路(或称为第一积分回路)。在此同时，第二交换电容电路220对积输出信号Ao(即第一积分回路的积分结果)取样。

如此，于下一第一相位时间，即控制信号P1又致能时，同时对输入信号Ain取样以及对输出信号Ao的取样值作积分运算。如此，即第二积分回路对上一次第一积分回路的积分结果再作一次积分运算。换句话说，即在此次第一相位时间，将上述第二相位时间的积分结果的取样回馈到放大器230中以进行积分。故此，当此次控制信号P1致能的周期结束时的输出信号Ao即是第二次积分运算的结果。由此可见，图2的共享式积分器200，可以使用一放大器便能达成二次积分运算的功能。

依据上述实施例，可推广至多次积分的运算的积分器，例如三次的积分运算，只需要在图2的共享式积分器200的第二交换电容电路220的输出端再串接至一交换电容式积分器即可。至于四次以至于2k次积分运算，只要将k个(k≥2)共享式积分器200串接即可实现。由此，n次积分运算时只需要(n+1)/2或n/2个运算放大器即可实现。

此外，实现2k次积分运算时，可依图3所示的方式，由控制信号P1及P2，控制每个串接的共享式积分器200。当控制信号P1致能时，同时对输入信号Ain或前一个共享式积分器的输出信号取样以及对共享式积分器的输出信号Ao(或称为偶数的积分回路的结果)的取样值作积分运算。当控制信号P2致能时，同时对输入信号Ain的取样值积分以及对此时的输出信号Ao(或称为奇数的积分回路的结果)取样。

由共享式积分器200，已知的图1的二阶三角积分模拟数字转换器的架构可改变为如图5的方块图。二阶三角积分模拟数字转换器500包括一共享式积分器510、一量化器520及一数字模拟转换器(D/A)530。在图5中，共享式积分器510接收输入信号x(t)并输出二次积分的结果(即控制信号P1致能的周期结束时的输出信号Ao)至量化器520以得到量化的信号y_i，又量化的信号y_i经数字模拟转换器(D/A)530转换所得的回馈信号回馈到共享式积分器510的中。参照图1的原理，在每次积分的前必须求得来自上一级的结果如x_i或第一次积分的结果与此回馈信号的差值以进行积分，故此若以共享式积分器200为例，回馈信号可以回馈到放大器230的反相输入端IN，而放大器230的输出端则可以耦接到量化器520。

图6绘示依据本发明的一实施例的全差动的二阶三角积分模拟数字转换器的方块图。二阶三角积分模拟数字转换器包括一差动的共享式积分器610、一比较器620、多个回馈增益控制电路630。差动的共享式积分器610与图2的不同之处在于采用差动组态的运算放大器611，以将输入信号Vin经取样后依上述图3实施例相似的方式作二次积分并输出结果。比较器620是用作1位的量化器，比较运算放大器611的两输出信号Ao1及Ao2，例如，若Ao1大于Ao2，则输出信号D_OUT代表1(如一电压值V_CC)，否则，则输出信号D_OUT代表0(如一电压值0)。多个回馈增益控制电路630是用以依据比较器620的输出信号D_OUT产生回馈信号，即为了实现回馈增益控制的传输函数(transfer function)的电路。故此，回馈增益控制电路630耦接于比较器620的输出端及运算放大器611的输入端之间，以使得来自上一级的结果如Vin的取样值或第一次积分的结果与此回馈信号相减后以进行积分运算。在图6中，回馈增益控制电路630例如由控制信号P1及P2控制的开关与运算放大器611的输入端耦接。此领域中的通常知识者皆可依三角积分数字模拟转换的原理，设计上述回馈增益控制电路630及比较器620的实现方式，或改以2位或4位的量化器以实作，故并不以上述例子为限。

相似于前述n次积分运算可基于多个共享式积分器200实现，图5及图6的二阶三角积分数字模拟转换器更可推广至n阶。由此，n阶三角积分数字模拟转换器只需要(n+1)/2(当n为奇数时)或n/2(当n为偶数时)个运算放大器即可实现。依据n阶三角积分数字模拟转换的原理，3阶、4阶以及更高阶的电路的运作方法以及回馈信号的回馈方式皆可上述图2至图6实施例的说明以推得。例如，在一实施例中，串接多个如图5的二阶三角积分数字模拟转换器500以达到高阶的应用时，其中两相邻转换器500之一的运算放大器的输出，经过与回馈信号相减的差值成为另一的输入信号。

值得注意的是，上述实施例的共享式积分器200或全差动共享式积分器610并非用以限定本发明的实施方式，此领域中通常知识者当可使用其它等效的交换电容电路(如含有多个电容的交换电容电路)或以其它积分器的组态(如增加交换电容放大器的输入及输出之间或增减放大器两输入端的耦接元件)以形成第一及第二积分回路。

故此，在其它实施例中，能因应两次运算需求，让电路交互地由一放大器在不同时间(如不同相位时间)形成两个运算回路并进而作出两次运算的电路，以及其推演的应用如三角积分调变器(sigma deltamodulator)、模拟数字转换器或交换电容式滤波器(switched-capacitorfilter)及其它如利用多次积分或三角积分调变的通讯电路，皆为依据本发明所能实现及涵盖的实施例。例如图7所示的共享式积分器700，同样使用一运算放大器(OP)，但其中的交换电容电路改以其它等效的电路实现。又例如在交换电容式滤波器的应用中，除了上述实施例中的交换电容以外，可增加其它电路元件，以达成滤波器欲达成的转换函数(transferfunction)。

本发明上述实施例所揭露的共享的交换电容式积分器及其方法，在实现n次的积分运算时能以(n+1)/2(当n为奇数时)或n/2(当n为偶数时)个运算放大器即可实现。由此，在一些实施例中，其应用电路如三角积分模拟数字转换器，在实现n阶时能以(n+1)/2(当n为奇数时)或n/2(当n为偶数时)个运算放大器即可实现。如此，有关应用的电路可节省运算放大器的使用数量却能达到高阶的应用，并能节省整体功率消耗及电路面积。如以二阶三角积分模拟数字转换器为例，在一仿真结果中利用两个运算放大器的图1的已知架构，其电路的消耗功率为2.477mW；若以采用一共享式积分器如图5的实施例的架构，其电路的消耗功率为1.489mW，即能节省约40％的功率，当然本案实施例并不以此为限。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims (11)

1.一种使用共享的交换电容式积分器的装置，包括：

一交换电容式积分器，包括：

一第一交换电容电路，具有一输入端及一输出端；

一第二交换电容电路，具有一输入端及一输出端；

一回馈电容装置，选择性具有一第一电容值及一第二电容值之一；以及

一运算放大器，其中该运算放大器的一输入端耦接到该第一交换电容电路的该输出端及该第二交换电容电路的该输出端，该运算放大器的一输出端耦接到该第二交换电容电路的该输入端，该回馈电容装置耦接于该运算放大器的该输入端及该输出端之间；

其中，该第一交换电容电路包括：多个开关元件；以及一第一电容，该第一电容与所述开关元件耦接用以选择性地于一第一时间间隔从该第一交换电容电路的该输入端进行取样以及于一第二时间间隔从该第一交换电容电路的该输出端将取样输出；

该第二交换电容电路包括：多个开关元件；以及一第二电容，该第二电容与该第二交换电容电路的所述开关元件耦接用以选择性地于该第二时间间隔从该第二交换电容电路进行取样以及于该第一时间间隔从该第二交换电容电路的该输出端将取样输出；

该回馈电容装置，包括一第一电容、一第二电容，及多个开关元件，其中该第一电容及该第二电容与所述开关元件耦接以选择性地使该回馈电容装置具有一第一电容值及一第二电容值之一。

2.如权利要求1所述的使用共享的交换电容式积分器的装置，其中于一第一时间间隔，该第二交换电容电路、该回馈电容装置及该运算放大器形成一第一积分运算回路。

3.一种使用共享的积分器的装置的运作方法，该积分器包括一放大器，该方法包括步骤：

(a)于一第一相位时间，对一第一信号进行取样，并同时由使用该放大器以进行一第一积分运算；以及

(b)于一第二相位时间，由使用该放大器以进行一第二积分运算，并同时对该第二积分运算的结果取样；

其中，该使用共享的积分器的装置包括：

一交换电容式积分器，包括：

一第一交换电容电路，具有一输入端及一输出端；

一第二交换电容电路，具有一输入端及一输出端；

一回馈电容装置，选择性具有一第一电容值及一第二电容值之一；以及

一运算放大器，其中该运算放大器的一输入端耦接到该第一交换电容电路的该输出端及该第二交换电容电路的该输出端，该运算放大器的一输出端耦接到该第二交换电容电路的该输入端，该回馈电容装置耦接于该运算放大器的该输入端及该输出端之间；

其中，该第一交换电容电路包括：多个开关元件；以及一第一电容，该第一电容与所述开关元件耦接用以选择性地于一第一时间间隔从该第一交换电容电路的该输入端进行取样以及于一第二时间间隔从该第一交换电容电路的该输出端将取样输出；

该第二交换电容电路包括：多个开关元件；以及一第二电容，该第二电容与该第二交换电容电路的所述开关元件耦接用以选择性地于该第二时间间隔从该第二交换电容电路进行取样以及于该第一时间间隔从该第二交换电容电路的该输出端将取样输出；

该回馈电容装置，包括一第一电容、一第二电容，及多个开关元件，其中该第一电容及该第二电容与所述开关元件耦接以选择性地使该回馈电容装置具有一第一电容值及一第二电容值之一。

4.如权利要求3的使用共享的积分器的装置的运作方法，其中还包括：

于下一第一相位时间，重复该步骤(a)，并同时将上次该步骤(b)中对该第二积分运算的结果的取样回馈到该放大器中以进行本次的该第一积分运算。

5.如权利要求4的使用共享的积分器的装置的运作方法，其中该第一积分运算是对一储存的取样进行积分，该第二积分运算是对该第一信号的取样进行积分。

6.如权利要求4的使用共享的积分器的装置的运作方法，其中该步骤(a)及(b)中，同时回馈一回馈信号到该放大器中以进行三角积分调变。

7.一种使用共享的交换电容式积分器的装置，包括：

一交换电容式积分器，包括：

一第一交换电容电路；

一第二交换电容电路；

一回馈电容装置，选择性具有多个预定电容值之一；以及

一放大器，其中该回馈电容装置耦接于该放大器的一输入端及一输出端之间，该放大器耦接于该第一交换电容电路的一输出端及该第二交换电容电路的一输入端之间；

其中于一第一相位时间，该第一交换电容电路对一第一信号进行取样，并同时该放大器及该回馈电容装置进行一第一积分运算；以及

于一第二相位时间，该放大器及该回馈电容装置进行一第二积分运算，并同时该第二交换电容电路对该第二积分运算的结果取样。

8.如权利要求7的使用共享的交换电容式积分器的装置，其中该放大器的该输入端耦接到该第二交换电容电路的一输出端。

9.如权利要求8的使用共享的交换电容式积分器的装置，其中该第一积分运算针对该第二交换电容电路的一储存的取样进行积分，该第二积分运算针对该第一信号的取样进行积分。

10.如权利要求9的使用共享的交换电容式积分器的装置，其中于该第一相位时间及该二相位时间，该回馈电容装置分别具有所述预定电容值的一第一电容值及一第二电容值。

11.如权利要求8的使用共享的交换电容式积分器的装置，其中该放大器的该输入端还耦接至一提供回馈信号的装置，该使用共享的交换电容式积分器的装置是为一三角积分调变装置。