CN1217098A - 具有多个输出级的数模转换器 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个输出级(46)的数模转换器。每一个输出级(46)包括一个三态缓冲器(54),该三态缓冲器输出由多路调制器(52)所选择的开信号,关信号,或者脉冲宽度调制信号,其中,多路调制器(52)由响应输入数字信号值的指数位的弦解码器(50)控制。如果选择脉冲宽度调制信号,那么其占空比由响应输入数字信号值的尾数位的脉冲宽度调制弦解码器(48)控制。另外的一个输出端提供具有预定占空比的脉冲宽度调制信号,作为参考信号,以用来补偿在数模电路的其余部分的操作过程中发生的变化。

Description

具有多个输出级的数模转换器
本发明涉及一种数模转换器。
已知的数模转换器包括包含梯形电阻(resister ladder)的系统，该梯形电阻的元件根据输入数字信号的大小被有选择地激励，以产生适当大小的总输出模拟信号。已知的还有采用脉冲宽度调制(PWM)技术实现数模转换。通过该脉冲宽度调制(PWM)技术，可以产生占空比受输入数字信号大小控制的脉冲宽度调制信号。然后，该脉冲宽度调制信号被低通滤波，形成一个大小依赖于脉冲宽度调制信号的占空比的模拟信号。
在包括数字和模拟部分的电路中，希望尽可能多的电路由数字电路部分实现。数字电路部分可以通过集成电路实现，集成电路相对便宜，体积小，效率高，并且能承受模拟电路出现的问题。
采用数模转换器，在一些级内必定要进行数字电路到模拟电路的转换。这种接口产生另外的限制，因为希望有尽可能少的信号线被用来连接电路的数字部分和模拟部分。这是因为，电路的数字部分通常由集成电路实现，具有很小的尺寸以及严格的输入/输出连接端数目。这样，从电路的数字部分到模拟部分的所要求的连接数目越多，可用于完成数字电路所需的其他功能的连接端数目就越少。
本发明提出了提供一种改进的数模转换器的问题，该数模转换器允许采用增大比例的数字电路，并且要求在电路的数字部分和模拟部分之间有少量的连接。
从一个方面看，本发明提供了一种用于把输入数字信号转换为输出模拟信号的数模转换器，该数模转换器包括：
多个输出级，其中每一个输出级响应所述输入数字信号的大小，产生一个信号分量，该信号分量是具有一定信号幅度的开信号(onsignal)，具有该信号幅度的脉冲宽度调制信号和关信号(off signal)之一，对于不同的输出级，所述开信号和脉冲宽度调制信号具有不同的信号幅度，并且被并行耦合到公共求和节点，以产生一个求和信号；以及
一个用于在所述公共求和节点，对所述求和信号的任意脉冲宽度调制分量进行低通滤波，产生所述输出模拟信号的低通滤波器。
本发明应用具有不同信号幅度的多个输出级，每一个输出级工作在开/关方式或脉冲宽度调制方式。这就使得在很大的动态范围内提供了具有很好的分辨率的脉冲宽度调制，而不必需要很大数目的输出级。实质上，低通滤波器是唯一需要模拟实现的部分，这就满足了数模转换器基本上由数字电路实现的要求。
为了提供一个能平滑而有效地覆盖所设计的输出模拟信号范围的大的动态范围，已发现所述开信号和脉冲宽度调制信号可优选为对于不同的输出级，具有对数相关幅度。
在数字电路中，当所述信号幅度在两个输出值之间以因子2增加时，该对数关系就可以简单地实现。
输入数字信号值和数模转换器对其的响应之间的关系可以表现为不同的形式。但是，本发明的有利地简化的实施例是那些其中由所述输入数字信号值的一个或多个弦位(chord bit)控制哪一个所述输出级产生开信号，哪一个所述输出级产生脉冲宽度调制信号，以及哪一个所述输出级产生关信号的实施例。
可能有多于一个的输出级同时产生脉冲宽度调制分量信号。但是，可用来表示输入数字信号值的位间距(bit space)(或时隙，是代表时隙的位)本身就是一个代价。存储模拟信号的数字取样表示所需的数据存储容量可能非常大，因此在任意给定的输入数字信号值中的位间距必须要最大效果地应用。在本发明的优选实施例中，对于某一给定的输入数字信号值，只有一个输出级是产生脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制输出级，任何信号幅度小于该脉冲宽度调制输出级的输出级都产生开信号，任何信号幅度大于该脉冲宽度调制输出级的输出级都产生关信号。
与指定哪一个输出级产生开或关信号所需的位间距相比，指定脉冲宽度调制信号的占空比到有意义的程度需要更大的位间距。因此，希望在任意给定时间只有一个输出级产生脉冲宽度调制信号。另外，要在模拟信号幅度范围内实现所要求的动态范围，就必须使低次输出级处于开状态，以提供偏置，且在该偏置之上，脉冲宽度调制信号提供一个附加的精细控制电平，提高单调性。
根据上文，优选地为，由所述输入数字信号值的多个控制域位选择该脉冲宽度调制信号的占空比。
希望数模转换器可以产生两种极性的模拟信号，并且因此优选地为，由所述输入数字信号值的符号位选择该输出模拟信号的极性。
低通滤波器可以通过多种不同的方式实现。一个可能出现的问题是数字电路中当驱动低通滤波器时，生产容差和热漂移产生的影响，驱动低通滤波器会导致输出模拟信号的绝对值发生变化。减小这一问题的本发明的优选实施例是，其中所述低通滤波器包括一个差分放大器，一个由预定占空比的参考信号导出的参考电压作为该差分放大器的参考输入的实施例。
差分放大器应用中的结合是指由输出级产生的信号分量的变化将伴随有参考信号相应的变化，而且两种变化相互抵消，其中差分放大器被由具有预定占空比的参考信号导出的参考电压所修正。
一种简单、有效、便宜的控制不同输出级的信号幅度的方法是，其中每一个输出级都包括一个控制该输出级信号幅度的阻性元件。
当所述阻性元件是由一个或多个同批生产的、具有共同阻值的电阻构成时，不同输出级信号幅度之间的变化可以被更加精确地控制。
尽管本发明在多种不同实现中具有体积小、动态范围大和分辨率高的优点，但在某些实施例中的优点尤其显著，其中所述实施例除了包括该阻性元件、低通滤波器之外，该数模转换器还包括一个数字集成电路。
为了把不同类型的信号分量有效地驱动到公共求和模式，优选为每一个输出级都包括一个产生所述信号分量的三态缓冲器。
所选的脉冲宽度调制模式有多种形式。一般来说，信号状态之间的转换要消耗能量。减小能量的消耗被看作是所期望的目标，这是因为它可以使便携设备的工作时间延长，并且可以减小热量的积累。但是，为了提高低通滤波器的效率和输出模拟信号的保真度，所述脉冲宽度调制信号优选为，具有最低的低频傅立叶分量，该分量满足所需占空比和该脉冲宽度调制信号的过取样频率。
本发明的数模转换器可以应用于其输入的数字信号值代表多种不同的物理实体的情形。但是，当所述输入数字信号值是数字音频采样值，并且由所述输出模拟信号驱动音频换能器时，本发明尤其有用。
从另一方面看，本发明还提供一种用于把输入数字信号值转换成输出模拟信号的数模转换方法，该数模转换方法包括下列步骤：
响应于多个输出级的每一个输出级的所述输入数字信号值，产生一个信号分量，该信号分量是具有一定信号幅度的开信号，具有该信号幅度的脉冲宽度调制信号和关信号之一，对于不同的输出级，所述开信号和脉冲宽度调制信号具有不同的信号幅度，并且被并行耦合到公共求和节点，产生求和信号；以及
在所述公共求和节点，对该求和信号的任意脉冲宽度调制分量低通滤波，产生所述输出模拟信号。
现在将参照附图，只以举例的方式，对本发明的实施例进行说明，其中：
图1说明了输入数字信号值的实施例的一种格式；
图2说明了将图1所示输入数字信号值转换成模拟信号的一个输出级；
图3说明了带有低通滤波器的一组图2所示的输出级；
图4说明了图1、图2和图3所示系统的数模转换特性曲线；
图5说明了与图1、图2和图3所示系统的不同弦选择位有关的弦操控(chord-steering)；
图6说明了图1、图2和图3所示系统的输入数字信号和输出模拟信号之间的变换；
图7说明了输入数字信号值的另一种实施例的格式；
图8说明了一种将图7所示输入数字信号值转换成模拟信号的输出级；
图9说明了带有低通滤波器的一组图8所示的输出级；
图10说明了图7、图8和图9所示系统的数模转换特性曲线；
图11说明了与图7、图8和图9所示系统的不同弦选择位有关的弦操控；
图12说明了图7、图8和图9所示系统的输入数字信号值和输出模拟信号之间的变换；
图13说明了对于图7所示输入数字信号值的不同尾数的脉冲宽度调制编码；
图14说明了预定占空比的参考信号，参考电压以及供电/干线电压之间的关系；
图15说明了未校正的模拟信号和参考电压的匹配变化；以及
图16说明了另外一种实施例，其中立体声信号由两个2级数模转换器产生，然后被低通滤波和放大。
图1说明了输入数字信号值2。该输入数字信号值2包括一个符号位4，两个弦选择(指数)位6和5个控制域(尾数)位8。符号位4控制由数模转换器产生输出模拟信号的极性。弦选择位6控制数模转换器的哪一个输出级产生开信号，关信号或者脉冲宽度调制信号。这对应于根据其上包括输出模拟信号的图4的特性曲线选择一个特定的弦。控制域位8控制由数模转换器的一个输出级产生的脉冲宽度调制信号的占空比。这对应于在图4中沿着由弦选择位6所选择的弦指定一个具体位置。控制域位8的5位允许指定32种不同的占空比。
图2说明了数模转换器的输出级10。5位的脉冲宽度调制解码器12(实际中被所有输出级共享)把控制域位8转换为具有32种可能的占空比之一的脉冲宽度调制信号PWM。控制域位00000产生16/32的占空比。控制域位01111产生31/32的占空比，控制域位的数字是00001到01110之间时，产生17/32到30/32的占空比。控制域位10000产生0/32的占空比。控制域位11111产生15/32的占空比，在10000到11111之间插入的控制域位产生1/32到14/32的占空比。
弦解码器14响应弦选择位6，产生弦操控(chord-steering)输出，并送入到多路调制器16。依据弦选择位6的内容，弦解码器14通过弦操控位控制多路调制器16选择用于多路调制器输出的开信号，关信号，以及脉冲宽度调制信号之一。弦选择位6到弦操控信号的映射，对于不同的输出级而不同，因此，对于任意给定的弦选择位，一个多路调制器将选择脉冲宽度调制信号，较高一级的多路调制器将选择开信号18，较低一级的多路调制器将选择关信号。
符号位4把输入信号送入三态缓冲器22。三态缓冲器22由多路调制器16的输出选通，并且将其输出送入到集成电路的输出垫片(outputpad)24。图2中输出垫片24左边的元件是集成电路的全部。然后，垫片24的输出信号经过具有依赖于输出级次序的某一特定值的阻抗元件26。阻抗元件26由同批生产的，具有相同阻值的电阻网络构成。以此种方式，可以实现不同输出级10中各个阻抗元件26的阻抗值之间精确的对数关系。
图3说明了具有4个输出级10的数模转换器。这些输出级10经过各个阻抗元件26连接到公共求和节点28。公共求和节点28的输出送入低通滤波器30，该滤波器包括一个带有反馈网络34的差分放大器32。参考电压V/2输入到差分放大器32的非反相输入端，来自各个输出级10的求和信号由公共求和节点输入到差分放大器32的反相输入端。反馈网络34具有根据实用标准选择出的部件值，以产生具有明显低于脉冲宽度调制信号的最低傅立叶分量的截止频率的低通滤波特性。
参考电压V/2通过集成电路(具有到输出级的相同的三态输出缓冲器，这样可以修正三态输出缓冲器产生的差异)的另外的输出垫片，由参考信号电路27产生，其中集成电路产生占空比为50％的参考信号RS，然后，该参考信号通过参考信号低通滤波器36产生参考电压V/2。通过这种方式，由于集成电路，例如由于干线电压的改变，产生的信号绝对值的变化可以被补偿，因为相同的变化将在参考电压V/2中发生，该参考电压作为差分放大器32的参考点。
图4说明了图3所示电路的数模转换特性曲线。模拟信号在-480I到+480I之间变化，其中I是提供模拟信号最小增量的预定电流(在此情形下，近似为V/(8*R)，其中V是当三态缓冲器22处于开状态时，三态缓冲器22驱动垫片24所达到的输出电压)。960I的动态范围将被进行10位线性编码。但是，图1所述信号的对数表示可以通过8位编码实现此动态范围。在第一弦38输入数字信号值00到1f(十六进制)，并且产生32种可能的间隔为I的输出模拟信号电平。第二弦40也产生32种可能的模拟信号电平，但间隔为2*I。同样，第三弦42和第四弦44分别产生间隔为4*I和8*I的模拟信号电平。当输入数字信号值的最有效位是“1”时，表示输出的模拟信号是负值，且相应的采用负值弦38’,40’,42’，和44’。
尽管模拟信号具有很大的动态范围，在高电平时其分辨率却低于传统的线性编码的情形。但是，在许多实际的应用中，例如音频信号，这一点并不重要，因为对数特性可以与人的听觉反应很好地匹配，因此对于音频取样值，可以最好地利用该位间距。
图5说明了弦选择位或指数位(EXT)与传输到不同的输出级10的各个多路调制器16的弦操控信号之间的关系。最低次的输出级具有最大幅度的阻抗元件(在此情形下为8*R)，其选择的输出用EN[0]表示。当选择最低次的弦38,38’时，最低次的输出级就产生一个脉冲宽度调制分量，并且关闭所有高次输出级。随着指数的增加，产生脉冲宽度调制信号的输出级向高次方向移动，同时较低次的输出级始终保持开状态，较高次的输出级保持关状态。当通过指数值11选择最高次弦44,44’时，最高次输出级(对应于阻抗元件R)产生脉冲宽度调制信号，且所有低次输出级产生开信号。
图6说明了输入数字信号值的符号位，指数位和尾数位与信号分量Iout[n]和被低通滤波的求和信号Itot之间的关系。对于产生脉冲宽度调制信号的输出级，图6中所示的数值是给定的尾数和该输出级的相对信号幅度乘积的占空比。
图7到图13说明了本发明的第二个实施例。该实施例按照上述第一个实施例的原理工作，但在此情形下采用3位指数(弦选择位)和4位尾数(控制域位)。这在图7中进行了说明。
图8显示了在包括4位脉冲宽度调制解码器8和响应于三个指数位的弦解码器50的情形下的输出级46。多路调制器52和三态缓冲器54的工作方式与上述方式相同。
图9说明了一种包括8个图8所示输出级46的数模转换器。在此情形下，阻抗元件的阻值介于R到128*R之间。所有来自输出级46的输出信号电流分量在被低通滤波前经过公共求和节点56。参考信号电路47产生占空比为50％的参考信号，该参考信号被参考信号低通滤波器49进行低通滤波。
图10说明了图9所示的数模转换器的特性曲线。该特性曲线包括8个弦，分别被不同的指数值选择。各个弦中的最大值分别为16I,48I,112I,240I,496I,1008I,2032I和4080I。特性曲线总的动态范围是8160I。该动态范围通常需要13位码进行线性表示。在此对数表示中，只需8位码，但是步长开支在最后的弦增加到128I。每个弦具有16种可能的等间隔电平。
图11说明了指数值与弦解码器50的弦操控输出之间的关系。这种关系的模式与上面图5所示的实施例的模式相同。随着指数的增加，产生脉冲宽度调制信号的输出级级次增加，同时较低次的输出级被开启，较高次的输出级被关闭。
图12说明了第二个实施例中的符号位，指数位和尾数位与信号分量和总和信号之间的关系。同第一个实施例相比较，以较大的步长开支实现了较高的动态范围。已经发现，这种折衷在音频信号的数模转换中是有意义的。
图13说明了尾数值和图8所示4位脉冲宽度调制解码器48所输出的脉冲宽度调制信号之间的关系。尾数值1000产生0/16的占空比，该占空比被在其16个时隙(过取样频率*16)内保持关状态的脉冲宽度调制信号表示。尾数值(控制域位)0000产生8/16(50％)的占空比，其中脉冲宽度调制信号在16个过取样时隙的每一个时隙内交替关闭和开启。可以通过8个连续的关时隙，伴随8个连续的开时隙实现50％的占空比。然而，这种解码器将具有较高的低频傅立叶分量，这是很难被低通滤掉的。因此，为了提高所导出的模拟信号的保真度，采用高频模式。
在图8所示的实施例中，输入的数字信号值在输出之前要进行一定程度的数字信号处理。该数字信号处理可以用来补偿诸如由于数模转换器引入的相移而引起的频率变化之类的因子。如果要求100％占空比的脉冲宽度调制信号，那么可以通过把取样数据输入到数字信号处理的预处理电路中实现，该预处理电路迫使取样数据处于过范围(over-range)状态，同时此过范围状态被传到4位脉冲宽度调制解码器48。这是通过图13中的底线来说明的。
图14说明了一种包括具有50％占空比，电平在零和供电电压Vrail之间变化的方波的参考信号。参考信号的均值(经低通滤波后)等于干线电压的一半，并在电路的其它部分用作参考电压。
图15说明了由于未修正模拟信号(公共节点信号)的恶化而引起的变化是如何与参考电压的变化所匹配的，例如a/b基本上等于c/d。在此方式中，电压漂移、偏差，以及由于电路的容限引起的其它问题可以通过把差分放大器的参考电压作为参考输入电平而被修正。
图16说明了具有两个2级音频通道AOL,AOR的另一个实施例，其中每一个通道都伴有一个相关的低通滤波器，并且放大器连接于此。输出Aref经低通滤波后作为参考电压Vref。此参考电压Vref输入到两个通道的滤波和放大电路，用来补偿由集成电路产生的信号AOL,AOR和Aref的变化。

Claims (15)

1．一种用于使输入的数字信号值(2)转换为模拟信号(Vout)的数模转换器，该数模转换器包括：
    多个输出级(10)，其中每一个输出级响应所述输入数字信号，
产生一个信号分量，该信号分量是具有一信号幅度的开信号(1)，
具有该信号幅度的脉冲宽度调制信号(PWM)和关信号(0)之一，
对于不同的输出级，开信号和脉冲宽度调制信号具有不向的信号幅
度，并且被并行耦合到公共求和节点(28)，产生和信号；以及
    一个在公共求和节点对求和信号的任意脉冲宽度调制分量进行
低通滤波，产生所述输出模拟信号的低通滤波器(32,34)。
2．权利要求1中的数模转换器，其中对于不同的输出级，所述开信号和脉冲宽度调制信号具有对数相关幅度。
3．权利要求2中的数模转换器，其中在两个输出值之间所述输出信号幅度以因子2增加。
4．权利要求2和3中任一权利要求中的的数模转换器，其中所述输入数字信号值的一个或者多个弦位(6)控制哪一个输出级产生开信号，哪一个输出级产生脉冲宽度调制信号，以及哪一个输出级产生关信号。
5．权利要求4中的数模转换器，其中对于给定的输入数字信号值，所述输出级中只有一个是产生脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制输出级，信号幅度小于该脉冲宽度调制输出级的任意输出级产生开信号，信号幅度大于该脉冲宽度调制输出级的任意输出级产生关信号。
6．权利要求5中的数模转换器，其中所述输入数字信号值的多个控制域位(8)为脉冲宽度调制信号选择一个占空比。
7．上述任一权利要求中的数模转换器，其中所述输入数字信号值的符号位(4)选择多个所述输出模拟信号的极性。
8．上述任一权利要求中的数模转换器，其中所述低通滤波器包括一个差分放大器(32)，该差分放大器的参考输入端(V/2)为由预定占空比的参考信号导出的参考电压。
9．上述任一权利要求中的数模转换器，其中每一个输出级都包括一个阻性元件(R)用来控制该输出级的所述信号幅度。
10．权利要求9中的数模转换器，其中所述阻性元件由一个或多个同批生产的、具有共同阻值的电阻构成。
11．权利要求8和9中任一权利要求中的数模转换器，其中除了所述阻性元件和低通滤波器之外，该数模转换器还包括一个数字集成电路。
12．上述任一权利要求中的数模转换器，其中每一个输出级都包括一个三态缓冲器(22)，用来产生所述信号分量。
13．上述任一权利要求中的数模转换器，其中所述脉冲宽度调制信号具有最低的低频傅立叶分量，该分量满足所需占空比和该脉冲宽度调制信号的过取样频率。
14．上述任一权利要求中的数模转换器，其中所述输入数字信号值是数字音频采样值，并且由所述输出模拟信号驱动音频换能器。
15．一种用于把输入数字信号值转换成输出模拟信号的数模转换方法，该数模转换方法包括下列步骤：
对应于多个输出级的每一个输出级的所述输入数字信号值，产生一个信号分量，该信号分量是具有一定信号幅度的开信号，具有该信号幅度的脉冲宽度调制信号和关信号之一，对于不同的输出级，所述开信号和脉冲宽度调制信号具有不同的信号幅度，并且被并行耦合到公共求和节点，产生求和信号；以及
在所述公共求和节点，对求和信号的任意脉冲宽度调制分量低通滤波，产生所述输出模拟信号。
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