CN110582940B - 全差分电流数模转换器 - Google Patents

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Abstract

回放路径可包括：被配置为接收输入信号的输入端、被配置为驱动差分输出信号的输出端、被配置为将输入信号转换为差分输出信号的差分电流模式数模转换器，以及控制电路。差分电流模式数模转换器可包括多个电流模式数模元件，其被配置为基于输入信号选择性地被启用和被禁用，以及至少一个参考元件，其与多个电流模式数模元件成电流镜关系，使得通过每个电流模式数模元件的每个单独电流是至少一个参考元件的参考电流的缩放版本。控制电路可被配置为基于输入信号的特性来缩放至少一个参考元件与多个电流模式数模元件之间的电流镜比。

Description

全差分电流数模转换器
技术领域
本公开总体上涉及用于音频装置的电路，该电路包括但不限于个人音频装置，诸如无线电话和媒体播放器，并且更具体地涉及与全差分数模转换器有关的系统和方法。
背景技术
包括无线电话，诸如移动/蜂窝电话、无绳电话、mp3播放器和其他消费者音频装置的个人音频装置得到了广泛使用。此个人音频装置可包括用于驱动一对耳机或一个或多个扬声器的电路系统。此电路系统通常包括用于将数字音频信号转换为对应的模拟音频信号的数模转换器(DAC)，该模拟音频信号可被放大并被驱动到扩音器或其他音频换能器。
DAC的一个示例是电流DAC，其将数字音频信号转换为等效的电流模式音频信号。电流DAC可是单端的，生成单端电流音频信号，或者可是差分的，生成差分音频信号。以其最简单的形式，差分电流DAC可包括一组开关电流源，其中每个电流源在差分输出端中的一个或共模接地端之间切换。电流源可相对于彼此进行分数加权(例如，每个电流源可相对于其他电流源通过二的幂进行加权)，并且每个差分输出端中的输出电流可是流入和流出输出端的电流之和。在许多实施方式中，每个电流源可体现为来自电流DAC的参考支路电流源的缩放镜。结果，此参考支路中的噪声可能是电流DAC性能的关键参数，因为参考支路与每个开关电流源的镜像比可镜像并乘以此噪声。为了避免此噪声占主导地位，可在开关电流源和参考支路电流源之间建立非常低的镜像比。然而，如此低的镜像比可能导致参考支路电流的功率的大量消耗，使得参考支路成为电流DAC的功耗的主要组成部分。因此，需要系统和方法来克服该限制，以便最小化电流DAC中的噪声和功耗两者。
发明内容
根据本公开的教导，可减少或消除与音频系统中的信号放大的现有方法相关的一个或多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，回放路径可包括：被配置为接收输入信号的输入端、被配置为驱动差分输出信号的输出端、被配置为将输入信号转换为差分输出信号的差分电流模式数模转换器，以及控制电路。差分电流模式数模转换器可包括多个电流模式数模元件，其被配置为基于输入信号选择性地被启用和被禁用，以及至少一个参考元件，其与多个电流模式数模元件成电流镜关系，使得通过每个电流模式数模元件的每个单独电流是至少一个参考元件的参考电流的缩放版本。控制电路可被配置为基于输入信号的特性来缩放至少一个参考元件与多个电流模式数模元件之间的电流镜比。
一种方法可包括：接收输入信号，并且基于输入信号的特性来缩放差分电流模式数模转换器的至少一个参考元件与多个电流模式数模元件之间的电流镜比，其中差分电流模式数模转换器被配置为将输入信号转换为差分输出信号，多个电流模式数模元件被配置为基于输入信号选择性地被启用和被禁用，并且至少一个参考元件与多个电流模式数模元件成电流镜关系，使得通过每个电流模式数模元件的每个单独电流是至少一个参考元件的参考电流的缩放版本。
根据本文所包括的附图、说明书和权利要求书，本公开的技术优点对于本领域技术人员而言可是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中具体指出的要素、特征和组合来实现和达到。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例和解释性的，并且不限制本公开中提出的权利要求。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可获得对本发明实施例及其优点的更完整的理解，其中，相同的附图标记指示相同的特征，并且在附图中：
图1是根据本公开的实施例的示例个人音频装置的图示；
图2是根据本公开的实施例的个人音频装置的示例音频集成电路的所选部件的框图；以及
图3是根据本公开的实施例的在图2的示例音频集成电路中使用的示例电流DAC的所选部件的框图。
具体实施方式
图1是根据本公开的实施例的示例个人音频装置1的图示。图1描绘了以一对耳塞式扬声器8A和8B的形式耦合到头戴式耳机3的个人音频装置1。图1中描绘的头戴式耳机3仅是示例，并且应当理解，个人音频装置1可结合多种音频换能器使用，包括但不限于耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。插头4可用于将头戴式耳机3连接到个人音频装置1的电气端子。个人音频装置1可向用户提供显示并使用触摸屏2接收用户输入，或另选地，标准液晶显示器(LCD)可与设置在个人音频装置1的正面和/或侧面上的各种按钮、滑块和/或表盘组合使用。同样如图1所示，个人音频装置1可包括音频集成电路(IC)9，用于生成模拟音频信号以传输到头戴式耳机3和/或另一个音频换能器。
图2是根据本公开的实施例的个人音频装置的示例音频IC 9的所选部件的框图。在一些实施例中，示例音频IC 9可用于实现图1的音频IC 9。如图2所示，微控制器核18可将数字音频输入信号DIG_IN提供给数模转换器(DAC)14，其可将数字音频输入信号转换为等于电流IOUTP和IOUTN之差的差分模拟电流模式输入信号。DAC 14可将差分模拟电流模式输入信号提供给放大器16，其可放大或衰减该差分模拟电流模式输入信号以提供音频输出信号VOUT，该音频输出信号可操作扬声器、耳机换能器、线路电平信号输出和/或其他合适的输出。放大器16的示例包括AB类放大器和D类放大器。
图3是根据本公开的实施例的在图2的示例音频集成电路9中使用的示例电流DAC14的所选部件的框图。如图3所示，电流DAC 14可包括一个或多个参考元件20(例如20a、20b)、多个电流模式DAC元件22(例如22a、22b、22c、22d、…、22n)、偏置运算放大器24和26，以及控制电路52，它们如图3所描绘被耦合。每个DAC元件22可包括差分电流镜，该差分电流镜包括p型场效应晶体管42和44、n型场效应晶体管46和48，以及多个开关50，它们如图3所示被耦合。参考元件20a可包括n型场效应晶体管30和32以及参考电阻器28，它们如图3所示被耦合。如图3所示，参考电阻器28可具有由控制电路52控制的可变电阻。另外或另选地，n型场效应晶体管30和32中的一个或两个可具有由控制电路52控制的导纳。为实现n型场效应晶体管30和/或32作为可变导纳晶体管，每个此种晶体管可包括多个开关晶体管，其在控制电路52的控制下被启用和/或被禁用以便实现期望的导纳。参考元件20b可包括n型场效应晶体管34和36以及p型场效应晶体管38和40，它们如图3所示被耦合。
在操作中，可如图所示将参考偏置电压VBREF施加到运算放大器26，并且可如图所示将共模电压Vcm施加到运算放大器24，以生成用于偏置n型场效应晶体管32、36和48与p型场效应晶体管38和42的偏置电压。另外，可将p型偏置电压VBP施加到p型场效应晶体管38和40的栅极以偏置p型场效应晶体管38和40，并且可将n型偏置电压VBN施加到n型场效应晶体管30、34和46的栅极以偏置n型场效应晶体管30、34和46。因此，形成如此偏置的电路，参考元件20a和20b通过该电路生成参考电流Iref和Iref2，如图3所示，其中的一个(例如，参考电流Iref2)可用作由每个电流模式DAC元件22实现的差分电流镜的参考电流。因此，至少一个参考元件20可与多个电流模式DAC元件22中的每个具有电流镜关系，使得通过每个电流模式DAC元件22的每个单独电流是至少一个参考元件20的参考电流(例如，参考电流Iref和Iref2)的缩放版本。每个电流模式DAC元件22被确定尺寸或以其他方式配置，使得其产生比另一个电流模式DAC元件22大或小2的幂的电流。例如，电流模式DAC元件22a可生成的电流的幅值是电流模式DAC元件22b生成的电流的两倍，电流模式DAC元件22b可生成的电流的幅值可是电流模式DAC元件22c生成的电流的两倍，等等。对于每个电流模式DAC元件22，其相应的开关50可基于数字音频输入信号DIG_IN选择性地被启用和被禁用。例如，每个电流模式DAC元件22可对应于数字音频输入信号DIG_IN的相应位，并且可基于相应位选择性地启用和禁用电流模式DAC元件22的相应开关50。为了清楚和说明的目的，未示出数字音频输入信号DIG_IN及其各个位与各个开关50的耦合。因此，每个电流模式DAC元件22包括在差分输出端中的一个(例如，IOUTP或IOUTN)或共模接地端(例如，Vcm)之间切换的电流源。因此，在差分输出端中的每个上的输出电流(例如，IOUTP或IOUTN)可是流入和流出来自各个电流模式DAC元件22的特定输出的电流之和。
控制电路52可包括被配置为接收数字音频输入信号DIG_IN(或从中得出的另一个信号)，并基于数字音频输入信号DIG_IN的特性(例如，幅值、频率等)控制DAC 14的一个或多个部件，以便缩放至少一个参考元件20和多个电流模式DAC元件22之间的电流镜比的任何系统、装置或设备。例如，控制电路52可响应于数字音频输入信号DIG_IN的幅值跨过预定阈值幅值，修改至少一个参考元件20和多个电流模式DAC元件22之间的电流镜比。作为具体示例，响应于数字音频输入信号DIG_IN从此预定阈值幅值之上跨越到此预定阈值幅值之下，控制电路52可控制DAC 14的一个或多个部件以减小参考电流(例如，Iref和/或Iref2)，同时增加电流模式DAC元件22的电流相对于至少一个参考元件20的电流的缩放比。在这些和其他实施例中，此预定阈值幅值可是用于进入或退出音频信号的回放路径的噪声选通模式的阈值幅值，由此噪声选通涉及低幅值的音频输入信号(例如，数字音频输入信号DIG_IN)、强制为零的音频系统的输出信号(例如，IOUTP或IOUTN之间的差)，以便避免信号路径中存在的噪声的音频输出。
在一些实施例中，控制电路52可被配置为通过修改至少一个参考元件的电阻(例如，可变电阻器28的电阻)以设置至少一个参考元件的电流，来修改至少一个参考元件20与多个电流模式数模元件22之间的电流镜比。在这些和其他实施例中，控制电路52可被配置为通过修改至少一个参考元件20的有效装置尺寸(例如，导纳)(例如，n型场效应晶体管30或32中的一个或两个的有效导纳)以设置至少一个参考元件20的电流，来修改至少一个参考元件20与多个电流模式数模元件22之间的电流镜比。尽管为了描述清楚起见，图3示出了n型场效应晶体管34和36以及p型场效应晶体管38和40不具有可通过控制电路52控制的可变导纳，但在一些实施例中，控制电路52可被配置为通过修改n型场效应晶体管34和36以及p型场效应晶体管38和40中的一个或多个的有效装置尺寸(除了修改n型场效应晶体管30和/或32的有效器件尺寸之外或代替该修改)来修改至少一个参考元件20和多个电流模式数模元件22之间的电流镜比。因为控制电路52可通过修改参考元件20的部件来执行电流镜比的此缩放：(a)电流镜比的此缩放可这样执行，使得当所述比被缩放时，流过多个电流模式数模元件22的电流量不变，并且使得流过参考元件20的电流改变；和/或(b)当所述比被缩放时，多个电流模式数模元件可不变。
在这些和其他实施例中，为了减少或消除与修改电流镜比相关联的音频伪像，控制电路52可在音频IC 9的音频回放路径的一个或多个消隐窗口期间修改电流镜比，其中一个或多个消隐窗口中的每个包括在DAC 14的采样周期内的有限持续时间，在此期间DAC 14的输出被阻止传输到耦合至该输出端的下游电路(例如，放大器16)。
如本文中所使用的，当两个或更多个元件被称为彼此“耦合”时，此术语表示此两个或更多个元件处于电子连通或机械连通(如适用)，无论是间接连接还是直接连接，有或没有中间介入元件。
本公开涵盖本领域的普通技术人员对本文的示例性实施例可理解的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员对本文的示例性实施例可理解的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，所附权利要求中的设备或系统或设备的部件或系统的部件适于、布置为、能够、配置为、启用、可操作或操作以执行特定功能的引用涵盖该设备、系统或部件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该设备、系统或部件如此适于、布置为、能够、配置为、启用、可操作或操作。
本文叙述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本发明和发明人为进一步发展本领域所做出的构思，并且被解释为不限于此类具体叙述的示例和条件。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但是应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对其进行各种改变、替换和变更。

Claims (16)

1.一种回放路径，包括：
被配置为接收输入信号的输入端；
被配置为驱动差分输出信号的输出端；以及
被配置为将所述输入信号转换为所述差分输出信号的差分电流模式数模转换器，所述差分电流模式数模转换器包括：
多个电流模式数模元件，其被配置为基于所述输入信号选择性地被启用和被禁用；以及
至少一个参考元件，其与多个电流模式数模元件成电流镜关系，使得通过每个电流模式数模元件的每个单独电流是所述至少一个参考元件的参考电流的缩放版本；以及
控制电路，其被配置为基于所述输入信号的频率来缩放所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比。
2.根据权利要求1所述的回放路径，其中所述控制电路缩放所述电流镜比，使得当所述比被缩放时流过所述多个电流模式数模元件的电流量不变，并且使得流过所述至少一个参考元件的另一电流量改变。
3.根据权利要求1所述的回放路径，其中所述控制电路缩放所述电流镜比，使得当所述比被缩放时所述多个电流模式数模元件不变。
4.根据权利要求1所述的回放路径，其中所述控制电路被配置为在所述回放路径的一个或多个消隐窗口期间修改所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比，其中所述一个或多个消隐窗口中的每个包括在所述差分电流模式数模转换器的采样周期内的有限持续时间，在此期间所述差分电流模式数模转换器的输出被阻止传输到耦合至所述输出端的下游电路。
5.根据权利要求1所述的回放路径，其中所述控制电路被配置为通过修改所述至少一个参考元件的电阻以设置所述至少一个参考元件的电流，来修改所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比。
6.根据权利要求1所述的回放路径，其中所述控制电路被配置为通过修改所述至少一个参考元件的有效装置尺寸以设置所述至少一个参考元件的电流，来修改所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比。
7.根据权利要求1所述的回放路径，进一步包括放大器，其被配置为放大所述差分输出信号以生成放大的差分输出信号。
8.根据权利要求7所述的回放路径，其中所述放大器包括AB类音频放大器和D类音频放大器中的一个。
9.一种应用于一回放路径的方法，包括：
接收输入信号；以及
基于所述输入信号的频率来缩放差分电流模式数模转换器的至少一个参考元件与多个电流模式数模元件之间的电流镜比，其中所述差分电流模式数模转换器被配置为将所述输入信号转换为差分输出信号，所述多个电流模式数模元件被配置为基于所述输入信号选择性地被启用和被禁用，并且所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件成电流镜关系，使得通过每个电流模式数模元件的每个单独电流是所述至少一个参考元件的参考电流的缩放版本。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括缩放所述电流镜比，使得当所述比被缩放时流过所述多个电流模式数模元件的电流量不变，并且使得流过所述至少一个参考元件的另一电流量改变。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括缩放所述电流镜比，使得当所述比被缩放时所述多个电流模式数模元件不变。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在回放路径的一个或多个消隐窗口期间修改所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比，其中所述一个或多个消隐窗口中的每个包括在所述差分电流模式数模转换器的采样周期内的有限持续时间，在此期间所述差分电流模式数模转换器的输出被阻止传输到耦合至输出端的下游电路。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过修改所述至少一个参考元件的电阻以设置所述至少一个参考元件的电流，来修改所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比。
14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过修改所述至少一个参考元件的有效装置尺寸以设置所述至少一个参考元件的电流，来修改所述至少一个参考元件与所述多个电流模式数模元件之间的电流镜比。
15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括放大器，其被配置为放大所述差分输出信号以生成放大的差分输出信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述放大器包括AB类音频放大器和D类音频放大器中的一个。
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