CN111224665B - 减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置和方法，该装置一调制器，其产生一M bit的调制器输出信号；蝴蝶开关组，其输入端连接于调制器，用于对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；动态器件匹配模块，其输入端连接于蝴蝶开关组的输出端，用于将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC。
Description
技术领域
本发明涉及属于音频数模转换器(Audio DAC)设计领域，特别涉及一种减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置和方法。
背景技术
通常在多bit Sigma Delta调制器DAC中，其精度要求都非常高，Audio DAC要求精度高达20bit；为了满足DAC输出的精度要求，DAC各个bit之间需要采用动态器件匹配的方式消除各个bit之间的失调误差(Mismatch Error)。
动态器件匹配的方式通常采用数字方式实现，会占用一定的资源，且在某些方式下，动态器件匹配方式占用的资源随着Sigma Delta调制器输出bit数的增加指数增长，因此当Sigma Delta调制器输出bit数较多时，动态器件匹配方式占用的资源会非常大，这会增加Sigma Delta调制器DAC的面积和功耗。
有些情况下，在Sigma Delta调制器阶数和过采样率受到限时，由于Sigma Delta调制器DAC精度的要求，Sigma Delta调制器输出需要采用多bit，且有些情况下必须满足一定bit数的要求；另外，从抗时钟抖动(Clock Jitter)和带宽外噪声(Out-of-Band Noise)的要求出发，Sigma Delta调制器输出bit数越多越好。
当Sigma Delta调制器输出bit数不能减小时，为了减小动态器件匹配的资源消耗，直接的方式是将一个多bit输出拆分成多个较少bit的输出，例如将一个M bit输出，拆分成2个M/2bit输出，此时动态器件匹配从一个M bit变成2个M/2bit，虽然动态器件匹配模块个数翻倍了，但是由于每个动态器件匹配的bit数减半，其占用资源指数下降，因此最终占用的资源会减少。
发明内容
本发明的目的是提供一种减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置和方法，利用蝴蝶开关(蝴蝶开关)方式将多bit调制器输出信号拆分成多个较少bit信号，既保证了少bit信号内部各个bit的匹配，又保证了少bit模块之间的匹配，同时减小了各个模块内部动态器件匹配占用的资源，从而减小调制器DAC的面积和功耗。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置，其特点是，包括：
一调制器，其产生一M bit的调制器输出信号；
蝴蝶开关组，其输入端连接于调制器，用于对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；
动态器件匹配模块，其输入端连接于蝴蝶开关组的输出端，用于将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC。
所述的蝴蝶开关组包括至少一级蝴蝶开关，每级所述的蝴蝶开关包括若干个切换开关，每两个信号连接一个切换开关，每个切换开关分别设有两个输入和两个输出。
所述的蝴蝶开关组设有若干级蝴蝶开关，所述的M bit的调制器输出信号经过一级蝴蝶开关被拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关被拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关被拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，所述的M bit的调制器输出信号最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号。
所述的动态器件匹配模块包括若干个动态匹配回路，其中，动态匹配回路的数量为M/N；
每个所述的动态匹配回路包括：向量量化器、比较器和失配滤波器，所述的向量量化器输入端分别连接于调制器和失配滤波器的输出端，所述比较器的输入端分别连接于失配滤波器及调制器的输出端，所述向量量化器的输出端还连接于DAC。
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第二动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第三动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第三动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第二动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第一动作。
所述的第一动作为“切换开关的输入是否对调后输出都可以”；
所述的第二动作为“切换开关的两个输入进行对调后输出”；
所述的第三动作为“切换开关的两个输入不需要对调直接输出”。
所述的调制器为sigma delta调制器。
一种利用减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置的方法，其特点是，包括：
产生一M bit的调制器输出信号；
对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；
将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC。
进一步包括：
设置若干级蝴蝶开关，所述的M bit的调制器输出信号经过一级蝴蝶开关被拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关被拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关被拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，所述的M bit的调制器输出信号最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
利用蝴蝶开关(蝴蝶开关)方式将多bit调制器输出信号拆分成多个较少bit信号，既保证了少bit信号内部各个bit的匹配，又保证了少bit模块之间的匹配，同时减小了各个模块内部动态器件匹配占用的资源，从而减小调制器DAC的面积和功耗。
附图说明
图1为向量方式实现DAC动态器件匹配的示意图；
图2为拆分后向量法动态器件匹配的示意图；
图3为没有向量法动态器件匹配仿真结果的示意图；
图4为采用向量法动态器件匹配仿真结果的示意图；
图5为采用直接拆分后的向量法动态器件匹配仿真结果的示意图；
图6为蝴蝶连接方式的信号连接图；
图7为本发明减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置的结构示意图；
图8为蝴蝶开关的真值表
图9为32bit经过蝴蝶开关拆分成2个16bit后仿真结果
图10为采用蝴蝶开关进行两级拆分示意图
图11为32bit经过两级蝴蝶开关拆分后仿真结果的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
图1是一种向量的方式实现动态器件匹配。
图1中，高精度的数字信号经过Sigma Delta调制器后量化成M bit数字信号，这里M bit为温度计码的数字信号，即M个bit权重相等。调制器输出信号V到实际DAC的输入信号Sv经过一个向量量化器(Vector Quantizer)，向量量化其的作用是决定DAC输入的M bit中哪几个bit输出为1；图1中Se表示各个信号输出为1的期望，向量量化器根据各个bit Se的大小从M bit中选取与V中信号为1的个数相等的bit数并将其置1，选取的方式是从Se大的信号开始，最后实现Sv中信号大小与V信号大小相等。
信号输出为1的期望Se与实际输出Sv之间的差值Se作为环路的误差反馈，Se经过滤波器Mismatch Filter后得到输出为1的期望Sy。
在图1的动态器件匹配的方式中，向量量化器Vector Quantize非常复杂，该模块除了需要比较Se的大小外，还需要从M bit中决定哪些bit输出为1，因此该模块也是占用资源非常多。
该模块占用的资源随着量化器输入输出bit数增加指数增加，因此可以通过减小单个量化器输入输出信号的bit数来减小动态器件匹配整体占用的资源。
一种最直接的方法是将一个M bit的向量量化器拆分成2个M/2bit的向量量化器，如图2所示。
在图2中，采用了两个环路处理M bit DAC的动态器件匹配，其中上面一个环路处理第M-1bit到第M/2bit的信号，下面一个环路处理第M/2-1bit到第0bit的信号；这样每个向量量化器只处理M/2个信号，虽然向量量化器由一个变成两个，但是每个向量量化器的资源指数减少，因此整体资源减少。
图3为不采用动态器件匹配的方式进行仿真，在DAC各个bit之间存在1％失调误差(Mismatch Error)时得到的仿真结果，其中DAC bit数为32.
从图3中可以看出，DAC输出信号的噪声比较大，切谐波分量也比较大，SNR只有77dB左右。
图4为采用一个32bit的向量量化器进行环路处理得到的仿真结果。
从图4中可以看出，采用图1中的动态匹配方式后，DAC输出的信号噪声和谐波分量明显减少，SNR提高至120dB左右。
图4中在直流(DC)处存在一个较大的失调，该失调是因为DAC各个bit器件之间的失调造成的，在音频信号中，DC失调不影响信号的质量，因此这里可以忽略该失调。
图5为采用两个16bit的向量量化器进行两个环路，得到的仿真结果。
从图5中可以看出，仿真得到的SNR只有97dB左右，相比于没有动态器件匹配时有所提升，但是比没有拆分向量量化器时的SNR低23dB左右。
造成图5中SNR偏低现象的原因是在将32bit拆分成2个16bit后，每个16bit内部的器件失配可以通过向量方式的动态器件匹配消除，但是两个环路之间的整体失配则没有办法消除。
本发明主要给出一种利用蝴蝶开关的方式消除两个环路之间的整体失配。
蝴蝶是用于描述信号与信号之间的链接关系，图6是一种蝴蝶方式的信号连接。
图6中，输入为8bit信号，每两个信号连接一个切换开关；S11～S43表示12个切换开关，每个开关有两个输入，两个输出。
这种方式很早之前出现在快速傅里叶变换的计算中，后来ADI用该方式进行一种动态器件匹配。
本专利则是利用部分蝴蝶的连接方式，实现两个环路之间的动态匹配。
图7是本发明的一个示意图。一个8bit的信号，经过一级蝴蝶开关分成2个4bit信号，两个4bit信号分别进行动态器件匹配处理后输入给DAC，图7中每个动态匹配的方式同图1相同。
如图7并结合图1所示，一种减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置，包括：一调制器，其产生一M bit的调制器输出信号；蝴蝶开关组，其输入端连接于调制器，用于对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；动态器件匹配模块，其输入端连接于蝴蝶开关组的输出端，用于将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC。
所述的蝴蝶开关组包括至少一级蝴蝶开关，每级所述的蝴蝶开关包括若干个切换开关，每两个信号连接一个切换开关，每个切换开关分别设有两个输入和两个输出。
所述的蝴蝶开关组设有若干级蝴蝶开关，所述的M bit的调制器输出信号经过一级蝴蝶开关被拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关被拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关被拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，所述的M bit的调制器输出信号最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号。
所述的动态器件匹配模块包括若干个动态匹配回路，其中，动态匹配回路的数量为M/N；每个所述的动态匹配回路包括：向量量化器、比较器和失配滤波器，所述的向量量化器输入端分别连接于调制器和失配滤波器的输出端，所述比较器的输入端分别连接于失配滤波器及调制器的输出端，所述向量量化器的输出端还连接于DAC。
需要说明的是，输入信号的bit数可以是任意的，根据实际应用中调制器需要来确定。
图7中，每一个开关的输入输出之间的关系如图8所示。
图8中INA和INB表示开关的两个输入，所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第二动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第三动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第三动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第二动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第一动作。
上述的第一值为“0”，第二值为“1”。
所述的第一动作为“切换开关的输入是否对调后输出都可以”；所述的第二动作为“切换开关的两个输入进行对调后输出”；所述的第三动作为“切换开关的两个输入不需要对调直接输出”。
对于一个32bit的调制器输出，经过蝴蝶开关拆分为两个16bit，分别进行动态器件匹配(Dynamic Element Match，DEM)处理，得到的结果如图9所示。
从图9中可以看出，采用蝴蝶开关将32bit拆分成两个16bit后，得到的DAC输出信号SNR为114dB左右，比图4中直接拆分的SNR高17dB，SNR性能明显提高。
蝴蝶开关还可以对调制器进行二级拆分。图10中，一个8bit信号利用两级蝴蝶开关拆分成4个2bit，每个2bit分别进行DEM处理,然后输入到DAC。
利用图10中的二级拆分方式，对一个32bit调制器信号拆分成4个8bit，得到的仿真结果如图11所示。
从图11中可以看出，经过两级拆分后，仿真得到的SNR为114dB左右，说明两级拆分同样能得到很好的DEM效果。
利用蝴蝶开关可以将调制器输出信号一直拆分下去，直到最小为2bit一组进行DEM。例如，对于一个M bit的调制器输出信号，可以经过一级蝴蝶开关拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，一直拆分下去，最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号。
本发明还提供了利用减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置的方法，包括：
产生一M bit的调制器输出信号；
对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；
将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC。
在具体实施例中，上述的方法进一步包括：
设置若干级蝴蝶开关，所述的M bit的调制器输出信号经过一级蝴蝶开关被拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关被拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关被拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，所述的M bit的调制器输出信号最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号：
以上为本发明的主要内容。本发明利用蝴蝶开关的方式，将一个多bit的调制器信号拆分成多个较少bit的信号，这样可以减少DEM处理时向量量化器的资源消耗，从而达到减小面积，降低功耗的作用。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置，其特征在于，包括：
一调制器，其产生一M bit的调制器输出信号；
蝴蝶开关组，其输入端连接于调制器，用于对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；
动态器件匹配模块，其输入端连接于蝴蝶开关组的输出端，用于将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC；
所述的蝴蝶开关组包括至少一级蝴蝶开关，每级所述的蝴蝶开关包括若干个切换开关，每两个信号连接一个切换开关，每个切换开关分别设有两个输入和两个输出；
所述的蝴蝶开关组设有若干级蝴蝶开关，所述的M bit的调制器输出信号经过一级蝴蝶开关被拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关被拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关被拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，所述的M bit的调制器输出信号最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号；
所述的动态器件匹配模块包括若干个动态匹配回路，其中，动态匹配回路的数量为M/N；
每个所述的动态匹配回路包括：向量量化器、比较器和失配滤波器，所述的向量量化器输入端分别连接于调制器和失配滤波器的输出端，所述比较器的输入端分别连接于失配滤波器及调制器的输出端，所述向量量化器的输出端还连接于DAC。
2.如权利要求1所述的减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置，其特征在于，
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第二动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第一值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第三动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第三动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第一值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第二动作；
所述切换开关当前状态为第一值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第一值时，所述切换开关执行第一动作；
所述切换开关当前状态为第二值，切换开关的输入INA输入第二值，且切换开关的输入INB输入第二值，则所述切换开关下一状态为第二值时，所述切换开关执行第一动作。
3.如权利要求2所述的减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置，其特征在于，所述的第一动作为“切换开关的输入是否对调后输出都可以”；
所述的第二动作为“切换开关的两个输入进行对调后输出”；
所述的第三动作为“切换开关的两个输入不需要对调直接输出”。
4.如权利要求1所述的减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置，其特征在于，所述的调制器为sigma delta调制器。
5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的减小音频数模转换器中动态器件匹配资源的装置的方法，其特征在于，包括：
产生一M bit的调制器输出信号；
对所述的M bit的调制器输出信号进行拆分得到N bit的输出信号；将N bit的输出信号进行动态器件匹配处理，然后输入到DAC。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：
设置若干级蝴蝶开关，所述的M bit的调制器输出信号经过一级蝴蝶开关被拆分成2个M/2bit的信号；经过二级蝴蝶开关被拆分成4个M/4bit的信号；经过三级蝴蝶开关被拆分成8个M/8bit的信号；以此类推，所述的M bit的调制器输出信号最多经过log2(M)-1级拆分成M/2个2bit的信号。
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