CN103036570A - 用于数字模拟转换器的可编程增益控制方法及装置 - Google Patents

用于数字模拟转换器的可编程增益控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种用于数字模拟转换器的可编程增益控制器(PGC)，该可编程增益控制器与提供电流源的输入节点以及多个用于数字增益控制的受控开关相连接，该电流源根据输入信号水平(例如，时间采样的音频数据)变化。每个开关都被配置为选择性将由电源所提供的电流的可变部分引导至电流汇聚节点或PGC的输出节点，从而提供至少一个缩放电流。放大器与PGC的输出端相连接。该放大器被配置为将缩放电流转换成至少一个输出信号，该输出信号所具有的幅值为输入信号电平和数字增益输入信号的函数。在该装置的模拟部分通过引导电流控制增益节省了电路空间并且降低了噪音。本发明还提供了一种用于数字模拟转换器的可编程增益控制方法及装置。

Description

用于数字模拟转换器的可编程增益控制方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种用于数字模拟转换器的可编程增益控制方法及装置。
背景技术
在各种信号处理应用中，可编程增益控制在整体系统性能中发挥着重要的作用。在一种公知的增益控制方法中，数字代码通过Δ-∑数字模拟转换器(Δ-∑DAC)转换为电流源。放大器在非反相的反馈结构中利用环绕着放大器反馈环路的电阻器通过分压在放大器的输出端将电流转换成电压。在该方法中，较大电阻器及其相关的金属互连件可能在放大器的非反相节点上引入较大的寄生反应部件(例如，电容器)，并且可能增加电路延迟以及使放大器补偿更加困难(例如，在较宽增益范围和频率范围中)。
在另一个公知的方法中，(例如，在音频应用中)使用数字增益编程来通过在数字域中对信号幅值进行数值调整来控制音量(volume)。使用各种技术降低数字音量使得用于表示音频信号的比特数更少，但是保持了相同的噪声级别。这样降低了信号噪声比(SNR)或减小了整个信号处理链的动态范围。换句话说，在使用数字增益编程时，通过本底噪声降低了音频信号的分辨率。
发明内容
在本发明的实施例中，一种可编程增益控制器(PGC)包括用于提供至少一个电流源的至少一个输入节点以及多个开关，该电流源能够根据输入信号电平而发生变化，并且该开关能够被数字增益输入信号控制。每个开关都被配置成选择性地将由至少一个电流源所提供的部分电流引导至电流汇聚节点或PGC输出节点，从而提供至少一个缩放电流。放大器与PGC的输出端相连接。放大器被配置成将缩放电流转换成至少一个输出信号，该输出信号所具有的幅值为输入信号电平和数字增益输入信号的函数。
在一个实施例中，提供了至少一个可根据输入信号电平变化的电流源。基于数字增益输入，由至少一个电流源所提供的电流的可变部分被选择性地引导或分配至电流汇聚节点或缩放电流节点，从而提供至少一个缩放电流。该缩放电流被转换成至少一个输出信号，该输入信号所具有的幅值为输入信号和数字增益输入信号的函数。
在实施例中，一种装置包括可编程增益控制器(PGC)、放大器和电流吸收器。PGC包括多个开关，该开关能够被数字增益输入信号控制。PGC被配置为缩放在第一PGC输入节点上提供的第一电流源和在PGC第二输入节点上提供的第二电流源，从而使在第一PGC输出节点处提供第一缩放电流、在第二PGC输出节点处提供第二缩放电流。每个电流源都根据输入信号的电平而变化。PGC被配置为基于数字增益输入缩放第一电流源和第二电流源。放大器具有第一输入终端和第二输入终端，该第一输入终端和第二输入终端分别与第一PGC输出节点和第二PGC输出节点相连接。该放大器被配置为将第一缩放电流和第二缩放电流转换成至少一个输出信号，该输出信号所具有的幅值为输入信号和数字增益输入信号的函数。电流吸收器包括与第一PGC输出节点相连接并且被配置为吸收第一吸收电流的第一接收电路以及与第二PGC输出节点相连接并且被配置为吸收第二吸收电流的第二接收电路。每个吸收电路包括多个由数字增益输入控制的开关，使所生成的进入放大器的电流的总和等于第一吸收电流和第二吸收电流的总和。
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种装置，包括：可编程增益控制器(PGC)，包括：至少一个输入节点，用于提供至少一个电流源，所述电流源作为输入信号的电平的函数而变化，以及多个开关，所述多个开关作为数字增益输入信号的函数而被控制，每个开关都被配置为选择性地将由至少一个所述电流源所提供的电流的可变部分引导至PGC的电流汇聚节点和输出节点之一，从而提供至少一个缩放电流；以放大器，与所述PGC的输出端相连接，所述放大器被配置为将至少一个缩放电流转换成至少一个输出信号，所述输入信号的幅值是所述输入信号电平和所述数字增益输入信号的函数。
在该装置中，还包括：数字模拟转换器(DAC)，被配置为基于所述输入信号提供所述至少一个电流源。
在该装置中，所述DAC被配置为提供线性可变电流源。
在该装置中，所述DAC包括多个开关，所述多个开关能够被所述输入信号选择性地控制，以提供所述至少一个电流源。
在该装置中，所述DAC还包括：多个晶体管，所述晶体管的至少一个子集与所述DAC的开关相连接。
在该装置中，所述DAC的所述多个晶体管被布置为级联结构。
在该装置中，所述装置还包括：Δ-∑调制器，用于提供所述输入信号。
在该装置中，所述至少一个输出信号包括：差分输出信号，所述放大器包括平衡差分放大器，所述平衡差分放大器被配置为在第一放大器输出端处和第二放大器输出端处提供所述差分输出信号，所述第一放大器输出端和第二放大器输出端连接为分别反馈至第一放大器输入端和第二放大器输入端。
在该装置中，所述PGC还包括：多个相关晶体管的集合，每个所述集合都包括一个或多个晶体管，所有所述集合中的晶体管都与所述PGC的输入节点之一相连接。
在该装置中，所述PGC被配置为能够作为所述数字增益输入信号的函数，将所选数量的所述相关晶体管选择性地连接为单元，以将电流传送到所述PGC的所述输出节点。
在该装置中，每个开关都与所述晶体管的集合之一相连接，所述PGC被配置为能够通过控制所述开关而使得所述所选数量的晶体管将所选数量的集合与所述输出节点相连接。
在该装置中，每个集合中的晶体管的数量都被配置为使得能够切换到所述输出节点的所述相关晶体管的数量呈对数变化。
在该装置中，在所述相应的集合中的相关晶体管的数量是2的方幂。
在该装置中，还包括：电流吸收器，与所述PGC的所述输出节点相连接，所述电流吸收器包括能够被数字增益输入信号控制的多个开关，用于选择性地吸收至少一个所述缩放电流的一部分。
在该装置中：所述PGC包括提供了第一电流源的第一输入节点、提供了第二电流源的第二输入节点、提供了第一缩放电流的第一输出节点、以及提供了第二缩放电流的第二节点；所述放大器包括平衡差分放大器；所述电流吸收器包括与所述第一输出节点相连接并且被配置为吸收第一吸收电流的第一个吸收电路，以及与所述第二输出节点相连接并且被配置为吸收第二吸收电流的第二个吸收电路；并且能够通过控制所述第一吸收电路中的开关和所述第二吸收电路中的开关，使得所产生的进入所述放大器的电流的总和等于所述第一吸收电流和所述第二吸收电流的总和。
在该装置中，每个吸收电路包括：预定数量N个晶体管；以及N-1个开关，每个开关都选择性地将所述开关的输入端与所述晶体管之一的栅极或接地节点相连接；其中，所述开关被所述数字增益输入信号控制。
在该装置中，所述放大器包括平衡差分放大器，并且能够通过控制所述电流吸收器的开关，使得所产生的共模电压等于通过所述电流吸收器传导的电流幅值。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：提供至少一个电流源，所述电流源作为输入信号的电平的函数而变化；基于数字增益输入信号，选择性地将由至少一个所述电流源所提供的所述可变电流部分引导至电流汇聚节点和缩放电流节点之一，从而提供了至少一个缩放电流；以及将所述至少一个缩放电流转换成至少一个输出信号，所述输出信号所具有的幅值是所述输入信号电平和所述数字增益输入信号的函数。
在该方法中，所述输入信号是数字输入信号，所述方法还包括：选择多个被所述数字输入信号控制的开关，以将所述数字输入信号转换为所述至少一个缩放电流。
在该方法中，所述至少一个缩放电流至少部分地被平衡差分放大器转换为至少一个电压信号。
在该方法中，通过平衡差分放大器实施所述转换，所述方法还包括：选择性地吸收至少一个所述缩放电流的一部分，从而为所述平衡差分放大器产生出等于零的共模电压。
根据本发明的又一方面，提供了一种装置，包括：可编程增益控制器(PGC)，包括多个作为数字增益输入信号的函数而被控制的开关，所述PGC被配置为将在第一PGC输入节点处提供的第一电流源缩放并且将在第二PGC输入节点处提供的第二电流源缩放，从而在所述第一PGC输出节点处提供第一缩放电流并且在所述第二PGC输出节点处提供第二缩放电流，每个电流源均作为输入信号的电平的函数而变化，所述PGC被配置为基于所述数字增益输入信号缩放所述第一电流源和所述第二电流源；放大器，所述放大区具有分别与所述第一PGC输出节点和所述第二PGC输出节点相连接的第一输入端和第二输入端，所述放大器被配置为将所述第一缩放电流和所述第二缩放电流转换成至少一个输出信号，所述输出信号所具有的幅值为所述输入信号电平和所述数字增益输入信号的函数；以及电流吸收器，包括：第一吸收电路，与所述第一PGC输出节点相连接，并且被配置为吸收第一吸收电流；第二吸收电路，与所述第二PGC输出节点相连接，并且被配置为吸收第二吸收电流；其中，每个所述吸收电路均包括多个开关，所述多个开关被数字增益输入信号控制，使得所产生的进入所述放大器的电流总和等于所述第一吸收电流和所述第二吸收电流的总和。
附图说明
根据附图的元件，以下内容将显而易见，而这些附图为示出目的，并不一定按比例绘制。
图1是根据示例性实施例的信号处理电路的示意图。
图2A是根据示例性实施例的信号处理电路的框图。
图2B是提供了图2A中所示元件的附加细节的示意图。
图3是图2B中所示的提供多个电压的电路的示意图。
图4是根据示例性实施例的方法流程图。
具体实施方式
对于示例性实施例的描述旨在结合附图进行阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。
图1是根据示例性实施例的信号处理电路100的示意图。提供了数字代码DIN(例如，代表了时间采样幅值的数值)，可以通过读取光盘(CD)或将压缩文件中的音频数据文件解码来获得该数字代码，或在其他实施例中通过流式传输(stream transmission)来接收该数字代码。可以对数字代码进行处理(例如，在过滤器102处将该数字代码插入，从而提供更高的的采样率)，然后通过数字Δ-∑调制器(DSM)对其进行处理，从而提供比特流106，该比特流具有设置为单位时间内的比特数的平均密度，代表了DSM的输入端的信号电平。
向线性数字模拟转换器(DAC)110提供数字信号106，该线性数字模拟转换器使用电流引导结构(current steering architecture)产生了模拟信号来表示信号106。在图1所示的实例中，呈阵列的开关116单独由信号106控制，从而将增加的电流值传送给VX汇聚节点或节点A，增强的电流在此处被相加，由此分配汇聚节点Vx和总和节点A之间的最大可能电流的比例。如图1所示，开关与布置成级联结构的晶体管相连接，晶体管112-1、...、112-M(统称晶体管112)向晶体管阵列114提供信号，该晶体管阵列向用于引导的开关116提供信号。晶体管112和114可以是PMOS晶体管。因此，DAC的晶体管子集与DAC的开关相连接。除其他原因外，级联结构有益于通过增加电源的输出阻抗来产生良好的输出阻抗。晶体管114和开关116可以单独示出(例如，114-1、...、114-M和116-1、...、116-M)，但是为了方便阅读，图1并未如此表示。因为为了将电流引导到节点A上可以对任意数量的M开关116进行控制，所以DAC110是线性的DAC，由此能够为节点A上的电流设定根据输入信号106线性地变化的值。
在模拟域中，可编程增益控制器(PGC)130提供了增益控制。对声音信号处理的应用方式而言，在模拟域中对幅值或音量的调整减小了信号和噪音并由此保持了峰值SNR，这种方法不同于以上所述的在数字域中缩放信号的公知方法。PGC130包括开关136-1、...、136-N(统称为开关136)，能够根据数字增益输入GC来控制该开关。每个开关都被配置为选择性地将由电流源所提供的部分电流引导至PGC的电流汇聚节点(这里表示为Vcmin)或输出节点(这里表示为节点B)，从而提供缩放电流。PGC 130包括多个晶体管集合，每个集合132-1、...、132-N(统称为集合132)均具有一个或多个相关晶体管，该相关晶体管可以是PMOS晶体管。每个集合132都与开关136之一相连接。在图1所示的实例中，集合132-1具有晶体管134-1-1和134-1-2，并且集合132-N具有晶体管134-N-1、134-2-N、和134-N-3。每个晶体管都与节点A相连接。通过开关与节点B相连接的晶体管的总数(基于数字增益输入信号GC)决定了由PGC130所提供的增益量。根据数字增益输入信号GC，可以将可选数量的相关晶体管选择性地连接为单元，以将电流引导到节点B。每个集合中的晶体管数量可以由多种方式配置并且相应的集合的配置方式可以相同也可以不同。例如，每个集合中可以具有一个晶体管(可根据所提供的总数选择任意数量的晶体管)或相应的集合具有1、2、4、8等等个晶体管，由此，可以从二进制数值中选择该集合，该二进制数值代表的是被选择引导给总和节点的晶体管的数量(剩余的晶体管中的电流被引导给汇聚节点)。在一个实施例中，集合中能够切换输出节点的晶体管的数量大致呈对数(例如，2n)变化，由于人类听觉系统对响度的感知是基于对数比例的，所以该实施例在音频应用中是有利的。
放大器150与PGC130的输出节点B相连接。放大器150被配置为将PGC130将提供的缩放电流转换成至少一个输出信号，该信号所具有的幅值既是输入信号的函数又是数字增益输入的函数。该输出信号可以是图1所示的电压信号Vout或电流信号。
另一个实施例图2A-图2B中所示的完全差分放大器结构，该实施例可以提供更高的性能。在图2A中，数字代码DIN、内插滤波器102和Δ-∑调制器104可以与图1中的相同。提供了作为线性DAC210的输入函数的信号102，该线性DAC为节点C和节点D提供了电源。基于数字增益输入，可编程增益控制器230在模拟域中实现增益并且对电流源进行缩放，从而向平衡差分放大器250提供输入。平衡差分放大器250将终端252和254处的差分电流输入转换为输出信号(例如，差分输出电压VOP、VON)。为了保持电流的共模值，可以利用电流吸收器270吸收一些由PGC 230提供的缩放电流。为了匹配PGC总电流，电流吸收器270对集中的共模下拉电流进行缩放。
如图所示2B，基于来自Δ-∑调制器104的输入信号，DAC210可以选择性地将电流从晶体管212、214引导到节点C或者节点D上。因此，DAC210向节点C和D提供了线性可变电流源。开关216与DAC的晶体管的子集(图2B，与晶体管214)相连接来引导电流。
PGC 230提供了缩放电路对，该缩放电路对与相应的PGC输入节点C和D相连接并且与相应的PGC输出节点E和F相连接。图2左侧的缩放电路具有晶体管集合232a-1、...、232a-N，右侧的缩放电路具有晶体管集合236a-1、...、236a-N和236b-1、...、236b-N。开关236a-1、...、236a-N和236b-1、...、236b-N(统称为开关236)与相应的晶体管集合相连接。PGC 230中的每个缩放电路以与图1中的PGC130的缩放电路类似的方式运行。数字增益输入GC控制开关236，以选择性地将电流从晶体管引导到电压Vcmin的节点或PGC的输出节点E或F之一。
电流吸收器270与PGC的输出节点E和F相连接，并且包括能够由数字增益输入GC控制的开关，以选择性地吸收部分缩放电流。特别地，如图2B左侧和右侧所示，电流吸收器270包括两个电流吸收器电路，分别用于在节点E和F上吸收部分缩放电流。用于吸收来自节点E电流的电路具有通过数字增益输入所控制的P-1开关274A-1、...、274A(P-1)。如所示，该开关可以与晶体管272A-1、...、272A-P设置在一起来控制这些晶体管。其他与节点F相连接的吸收电路具有开关274b-1、...、274b-(P-1)和晶体管272b-1、...、272b-P，并且以与通过数字增益输入控制的开关类似的方式运行。在两个吸收电路中的开关能够与PGC 230一同得到控制，使在终端252、254处进入放大器的电流总和等于电流吸收器270所吸收的电流总和。因此，电流吸收器270平衡了放大器的电流，使得所获得的共模值等于通过电流吸收器270所传导的电流幅值，从而当差分输出集中在该共模值时，该差分输出的幅度相同，极性相反。电流吸收器270中的开关可以相对于电流吸收器的晶体管以各种方式配置，并且可以使用逻辑映射器或查阅表以本领域所公知的各种方式在开关的控制输出端处将数字值映射为特定选择，从而平衡放大器的输入。
图3是提供了用于偏置图2B中的电路的各种电压的电路示意图。图3示出了具有电流镜拓扑结构的示例电路300，该电路提供了基于参考电压Vref的Vbp、Vbc1、Vbc2和Vcmin，该参考电压可以本领域中公知的任何方式提供(例如，通过使用堆叠的正向偏置二极管的带隙参考产生)。参考电压Vref产生流经晶体管M1和M2的参考电流。晶体管M3和M6将流经M2的电流镜像反射(mirror)。可以根据Vbc2所需的值将额外的晶体管与晶体管M4和M5堆叠在一起。因此，图3示出，参考电压产生了参考电流，该参考电流转而产生了其他具有稳定的固定值的参考电压。本领域普通技术人员公知，可以类似的方式产生出图2B所示的信号Vbn。
图4示出的是根据示例性实施例的方法流程图。在方法400开始后，提供了至少一个电流源，该至少一个电流源幅值根据输入信号的电平而变化(410)。基于数字增益输入，由至少一个电流源所提供的部分电流被选择性地引导给电流汇聚节点或缩放电流求和节点，以提供至少一个缩放电流(420)。该缩放电流被转换成至少一个输出信号，该输出信号所具有的幅值是输入信号和数字增益输入的函数(430)。
在音频环境中实现的各种实施例中，放大器的输出信号可以被低通滤波并且被提供给音频输出装置(例如，扬声器或耳机)。在模拟域中实施的增益调整提供的输出信号的信号噪声比(SNR)比现有技术方法所得到的更好。与以前的方法相比，信号噪声比没有降低，这是因为，在通过模拟域中的增益调整减小了信号同时，也减小了噪音。在一些实施例中，通过使用模拟电流分配而不是使用围绕着放大器配置的反馈电阻器来实施增益编程。通过缩放与PGC230串联的下拉电流吸收器(例如，电流吸收器270中的左、右电流吸收器电路)来控制输出电流的共模，使得总的PGC电流与所吸收的总下拉电流相匹配。数字增益输入的共同控制位可用于匹配(平衡)电流，简化设计。
各个实施例使用比公知方法更小的面积(更小的电路足迹)的硬件实现方式，公知方法中包括了较大的许多电阻器以及用于在电阻器组合中进行选择的模拟CMOS开关，该模拟CMOS开关在放大器的反馈环路和相关的放大器的输入接地电阻之间插入了成比例选择性变化的电阻。由此，利用在本文中所描述的实施例可以提高效率和降低费用。
降低信号失真至少有以下几个原因。与在使用电阻器时需要的CMOS模拟开关相比，各个实施例并没有使信号失真。同样地，由这种电阻器的电压系数所产生的失真(例如，由于这种电阻的自加热、增益边界和底面损耗所产生的失真)被减少或消除。
在各个实施例中，噪声也减少了，这是因为，可编程增益控制器可以使用级联偏置晶体管，与产生具有相当于4*K*T*BW*R(其中，k为波尔兹曼常数，T是以开氏度计的温度，BW是以赫兹计的带宽，R是以欧姆计的电阻)的噪声功率的热噪声的电阻器相比，该级联偏置晶体管不产生任何噪声。
根据各个实施例，增益控制不影响放大器的闭环频率响应或放大器的稳定性，这是因为，当对增益进行编程时，与在反馈中选择性地添加电阻器的现有的技术相比，放大器的环路增益不变。此外，与现有方法相比，各个实施例中的增益控制不消耗任何额外的电量，并且可编程增益电路中的任何器件不匹配只可能造成增益误差，而不会造成信号失真。
尽管在本文中说明和描述了一些实例，但这些实施例并不局限于所示的细节，本领域普通技术人员可以在权利要求的范围以及权利要求的等效方式的范围内实现各种更改和结构变化。

Claims (10)

1.一种装置，包括：
可编程增益控制器(PGC)，包括：
至少一个输入节点，用于提供至少一个电流源，所述电流源作为输入信号的电平的函数而变化，以及
多个开关，所述多个开关作为数字增益输入信号的函数而被控制，每个开关都被配置为选择性地将由至少一个所述电流源所提供的电流的可变部分引导至PGC的电流汇聚节点和输出节点之一，从而提供至少一个缩放电流；以及
放大器，与所述PGC的输出端相连接，所述放大器被配置为将至少一个缩放电流转换成至少一个输出信号，所述输入信号的幅值是所述输入信号电平和所述数字增益输入信号的函数。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：数字模拟转换器(DAC)，被配置为基于所述输入信号提供所述至少一个电流源。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述DAC被配置为提供线性可变电流源。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述DAC包括多个开关，所述多个开关能够被所述输入信号选择性地控制，以提供所述至少一个电流源。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述DAC还包括：多个晶体管，所述晶体管的至少一个子集与所述DAC的开关相连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述DAC的所述多个晶体管被布置为级联结构。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括：Δ-∑调制器，用于提供所述输入信号。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个输出信号包括：差分输出信号，所述放大器包括平衡差分放大器，所述平衡差分放大器被配置为在第一放大器输出端处和第二放大器输出端处提供所述差分输出信号，所述第一放大器输出端和第二放大器输出端连接为分别反馈至第一放大器输入端和第二放大器输入端。
9.一种方法，包括：
提供至少一个电流源，所述电流源作为输入信号的电平的函数而变化；
基于数字增益输入信号，选择性地将由至少一个所述电流源所提供的所述可变电流部分引导至电流汇聚节点和缩放电流节点之一，从而提供了至少一个缩放电流；以及
将所述至少一个缩放电流转换成至少一个输出信号，所述输出信号所具有的幅值是所述输入信号电平和所述数字增益输入信号的函数。
10.一种装置，包括：
可编程增益控制器(PGC)，包括多个作为数字增益输入信号的函数而被控制的开关，所述PGC被配置为将在第一PGC输入节点处提供的第一电流源缩放并且将在第二PGC输入节点处提供的第二电流源缩放，从而在所述第一PGC输出节点处提供第一缩放电流并且在所述第二PGC输出节点处提供第二缩放电流，每个电流源均作为输入信号的电平的函数而变化，所述PGC被配置为基于所述数字增益输入信号缩放所述第一电流源和所述第二电流源；
放大器，所述放大区具有分别与所述第一PGC输出节点和所述第二PGC输出节点相连接的第一输入端和第二输入端，所述放大器被配置为将所述第一缩放电流和所述第二缩放电流转换成至少一个输出信号，所述输出信号所具有的幅值为所述输入信号电平和所述数字增益输入信号的函数；以及
电流吸收器，包括：
第一吸收电路，与所述第一PGC输出节点相连接，并且被配置为吸收第一吸收电流；
第二吸收电路，与所述第二PGC输出节点相连接，并且被配置为吸收第二吸收电流；
其中，每个所述吸收电路均包括多个开关，所述多个开关被数字增益输入信号控制，使得所产生的进入所述放大器的电流总和等于所述第一吸收电流和所述第二吸收电流的总和。
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