CN1531779A - 具低电流消耗的反馈a/d或d/a转换器 - Google Patents

具低电流消耗的反馈a/d或d/a转换器 Download PDF

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Abstract

一种反馈A/D转换器，其在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器(5)以及至少一数字/模拟转换器(8)，具有第一装置用以提供该至少一模拟/数字转换器(5)用的一第一参考电压，以及一第二装置用以提供该至少一数字/模拟转换器(8)用的至少一第二参考电压。该第一及第二参考电压可被设计，因此从在该至少一模拟/数字转换器(5)的输出产生一想要的输出信号电位。

Description

具低电流消耗的反馈A/D或D/A转换器
本发明涉及由于参考信号的量测而电流消耗小于先前D/A及A/D转换器的反馈A/D及D/A转换器。本发明尤其涉及∑-ΔA/D转换器及∑-ΔD/A转换器。
A/D转换器(模拟至数字转换器，ADC)用以转换一模拟信号至一数字信号。在转换的情况中，D/A转换器(数字至模拟转换器，DAC)被用以转换一数字信号至一模拟信号。
为了从模拟区域转换至数字区域，A/D转换器参考一参考电压。该参考电压通常指示被输入A/D转换器的一输入电压与输出数字变量的间的比例常数。对应的情况适用于D/A转换器。A/D转换器及D/A转换器可从Springer Berlin 1999，ISBN 3-540-641920，UlrichTietze and Christoph Schenk所著「Halbleiter-Schaltungstechnik(半导体电路技术)」书刊第18章的「D/A-undA/D-Umsetzer(D/A及A/D转换器)」中得知。此章节的内容被包含于本专利申请案的公开之内。
在反馈的A/D转换器中，一信号回路从A/D转换器的输出至一D/A转换器。从A/D转换器发射的信号在一求和点被从至该反馈A/D转换器的模拟输入信号中减除。从求和点输出的差异信号输入A/D转换器的输入。反馈D/A转换器通过交换A/D转换器与D/A转换器而从反馈A/D转换器获得。
反馈A/D及D/A转换器也包括∑-ΔA/D转换器及∑-ΔD/A转换器。在以上所述的反馈A/D转换器比较中，∑-ΔA/D转换器具有一连接至D/A转换器下游的积分器(integrator)的额外特征。∑-ΔA/D及D/A转换器从Teubner Stuttgar 1997，ISBN 3-519-16180-X，udo Zolzer所著的的「Digital Audio-Signalverarbeitung(数字音频处理)」一书可得知。∑-Δ转换器于此被描述，尤其是在第三章「AD/DA-Umsetzung(AD/-D/A转换)」。此书同样被包含于本专利申请案的公开的中。
图1表示∑-ΔA/D转换器1的电路图，当其被用于现有技术中时。模拟信号3被输入∑-ΔA/D转换器1的输入2。∑-ΔA/D转换器1使用积分器4以及模拟/数字转换器5以便在输出6产生一过取样并位于对应模拟信号3的电压的平均电压的数字信号7。一数字/模拟转换器8转换数字信号7为一模拟参考信号，其以一反相的数学符号通过求和点9被送回积分器4的输入。
此电路图表示增益因子a及b。此增益因子a及b一般应该不被视为电组件，但每一者代表施加至经由相关信号回路传输的信号的增益。例如，增益因子a或b可以是积分器4中的硬件电路的形式。积分器4通常包括一运算放大器，连接至一反馈电容以及一开关输入电容。一种可能的电路实施是电容的一极连接至一共同的地。输入电容的另一极有选择地由适合的开关装置连接至输入信号至积分器或连接至运算放大器的输入。输入电容及反馈电容的比例决定积分器4的增益因子，且因此增益因子a的大小。增益因子b于类似方式中达成。依序决定控制回路的特征的增益因子a，b为∑-ΔA/D转换器1的选择架构而被定义，并且可以在窄的限制中被自由选择。高增益因子a及b产生积分器4的二电容的间的高比例。此二电容的至少一电容必须总是大的，因为最小的电容因二个理由不能被无限地做小。首先，电容的良好匹配是需要的，以便确保增益因子a及b所需的正确性。其次，小的电容增加扰噪声。然而，大电容的缺点在于积分器4的运算放大器必须驱动高的电容负载。来自积分器4的输出电流随着负载电容正比上升。这也增加∑-ΔA/D转换器1在任何时间所需的能量的量。在已知的∑-ΔA/D转换器中，功率需求通过降低积分器的负载电容而被降低。但是，这可能干扰∑-ΔA/D转换器的特性。
其它的反馈A/D转换器通常具有信号放大组件。信号放大组件的增益因子被降低以便降低已知反馈A/D转换器中的功率消耗。这再次地具有缺点，因其改变反馈A/D转换器的转换函数的特性。
因此本发明的目的在于提供一种反馈A/D转换器以及一种∑-ΔA/D转换器，其功率消耗分别小于已知的反馈A/D转换器以及一种∑-ΔA/D转换器。在制程中，将被产生的反馈A/D转换器以及将被产生的∑-ΔA/D转换器的转换函数应该不会有重大改变。也可使用本发明用于反馈D/A转换器以及∑-ΔD/A转换器。
本发明所基于的目的通过本申请独立权利要求的特征而达成。有利的发展及修改则被指定于申请的从属权利要求中。
依据本发明的反馈A/D转换器在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器以及至少一数字/模拟转换器。此反馈A/D转换器也具有第一装置用以提供至少一第一参考电压，该模拟/数字转换器于将一模拟信号转换为数字信号时参考该第一参考电压，以及一第二装置用以提供至少一第二参考电压，该至少一数字/模拟转换器于将一数字信号转换为模拟信号时参考该第二参考电压。本发明一主要的想法在于该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为从该至少一模拟/数字转换器产生一想要的输出电压电位。依据本发明的反馈A/D转换器可以为任何型态的反馈A/D转换器，例如一追踪A/D转换器(追踪模拟至数字转换器)。
来自一电组件或装置的一输出信号的表示可代表在相关电组件或装置的输出产生的一个电压或可从输出发出的电流。
在依据本发明反馈A/D转换器中，该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计，因此它们在至少一反馈回路中产生信号的额外增益。在此情况中，每一该至少一模拟/数字转换器及该至少一数字/模拟转换器在本质上未产生任何的增益，因为它们每一者仅转换数个数值至不同数字系统。然而，如果该至少一第一参考电压及至少一第二参考电压以合适的方式被选择，该至少一模拟/数字转换器与该至少一数字/模拟转换器的互动造成至少一反馈回路中的额外增益，因为该至少一反馈回路中的增益也随着该至少一第二参考电压与该至少一第一参考电压的商数的增加而提升。这表示，以至少一第一参考电压及至少一第二参考电压的适当设计，可以在至少一模拟/数字转换器的输出产生想要的转换函数。这造成该至少一反馈中的信号放大组件的改变，其功率消号小于常规的反馈A/D转换器。因此，本发明产生至少从模拟区域被偏移至数字区域的至少一反馈回路的信号放大因子。反馈A/D转换器的功率消耗可通过同时改变模拟区域中的该参考及信号放大组件而被降低，但转换函数维持不变。
本发明的一有利的修改提供反馈A/D转换器包含至少一放大器，其被连接于至少一模拟/数字转换器的上游。此外，至少一参考电压及至少一第二参考电压可被设计为依据至少一放大器的增益因子而定。该至少一放大器于其输出产生一信号，其电位对应被乘上该增益因子的至少一放大器的输入信号电位。
增益因子的表示可代表一输出信号与一输入信号的间的比例。此增益因子由适合的电组件的选择而产生。
已知反馈A/D转换器中的至少一反馈回路中的信号增益通过该至少一放大器的增益因子的适当选择而达成。依据本发明的反馈A/D转换器因此具有第一及第二装置，使用该第一及第二装置使该至少一第一参考电压及至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一放大器的增益而定。该至少一反馈回路的增益系依据该至少一放大器的增益因子与该至少一第二参考电压与该至少一第一参考电压的乘积而定。这表示可以通过该至少一第一参考电压及至少一第二参考电压的适合设计而降低该至少一放大器的增益，且因此维持该反馈A/D转换器中的至少一反馈回路的增益实质上恒定。此方法导致反馈A/D转换器的功率的消耗，以反馈A/D转换器的转换函数实质上维持不变。
该至少一放大器有益地具有决定该至少一放大器增益因子的电组件。如果该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压以适合的方式被设计，该电组件可被选择以便使该至少一放大器的功率消耗最小。
本发明的另一有利修改的特征在于该第一装置系用以调整该至少一第一参考电压，而该第二装置系用以调整该至少一第二参考电压。此方法产生该至少一第一参考电压与该至少一第二参考电压以固定的值被实施于电路中，但它们也可依需要而变化。
依据本发明的∑-ΔA/D转换器在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器以及至少一数字/模拟转换器，以及至少一积分器连接来自该至少一数字/模拟转换器的下游。第一装置用以提供该至少一数字/模拟转换器用的至少一第一参考电压，以及一第二装置用以提供该至少一数字/模拟转换器用的至少一第二参考电压。该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一积分器的增益因子而定。
依据本发明的∑-ΔA/D转换器具有对应依据本发明的反馈A/D转换器的优点。在依据本发明的∑-ΔA/D转换器中，第一及第二装置可被用以选择至少一第一参考电压小于该至少一第二参考电压，因此这产生至少一反馈回路中的增益的增加。在同时，在维持至少一反馈回路中的整体增益为想要的情况时，至少一积分器的增益可降低。至少一积分器的增益可由一电容比例决定。降低电容比例造成经过至少一积分器的降低的电流，且因此降低∑-ΔA/D转换器的功率消耗。也可能提供至少一积分器与至少一电阻及/或与至少一电容连接。在此情况中，依据本发明的至少一积分器的增益因子及功率消号可被降低。
依据本发明的∑-ΔA/D转换器也具有一串级结构，具有依据本发明的至少二∑-ΔA/D转换器以对应方式被互相连接。
本发明的另一形式系关于一种用于反馈A/D转换器的方法。为此目的，反馈A/D转换器在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器以及至少一数字/模拟转换器。在依据本发明的方法中，提供由至少一模拟/数字转换器于转换一模拟信号至一数字信号时所参考的至少一第一参考电压以及由至少一数字/模拟转换器于转换一数字信号至一模拟信号时所参考的至少一第二参考电压。该至少一第一参考电压以及该少一第二参考电压于本文中系用以产生该至少一模拟/数字转换器用的一想要的转换函数。其被有益地设计因此反馈A/D转换器的功率消耗大幅降低而达成反馈A/D转换器想要的转换函数。例如，此功率节省可通过降低一信号放大组件的功率因子而被降低。
在依据本发明的类似以上反馈A/D转换器方式中，依据本发明的相关的方法及依据本发明的∑-ΔA/D转换器，本发明也使一反馈D/A转换器与对应方法及∑-ΔA/D转换器相关。本发明的优点对应以上所述的优点。
本发明将于下文被参照附图被详细解释，其中
图1表示现有技术的∑-ΔA/D转换器的电路图；
图2表示依据本发明的∑-ΔA/D转换器的一示意性实施例的电路图；
图3表示依据本发明的串连的∑-ΔA/D转换器的示意性实施例的电路图。
图2所示的示意性实施例的某些部份对应已知的图1中的∑-ΔA/D转换器。模拟信号3被输入∑-ΔA/D转换器1的一输入2。一积分器4及一下游模拟/数字转换器5产生一数字信号7，其对应模拟信号3并可被取出或在输出6输出。具有数字/模拟转换器8的反馈回路再次将数字信号7转换为模拟参考信号，并在一求和点9以相反的数学符号将其加至模拟信号3。此加总信号被提供至积分器4的输入。来自积分器4的输出信号的增益可由增益因子a及b调整。
对比图1所示的∑-ΔA/D转换器，本发明的例或示实施例包含一单元10用以调整模拟/数字转换器5所使用的参考电压，以及一单元11用以调整数字/模拟转换器8。例如，如果数字/模拟转换器8所使用的单元11被调整因此其大于模拟/数字转换器5所使用的参考电压，则经过由模拟/数字转换器5及数字/模拟转换器8所定义的信号回路的信号被放大。为重新产生从积分器4发出的信号的原始增益，或由单元10及11在参考电压被调整的前所产生的数字信号7的原始增益，积分器4的增益因子b及/或a在某些情况也具有进一步的增益，其可同样被调整。这可通过，例如降低积分器4的电容比例而达成。
因此，来自积分器4的输出电流降低，产生功率的节省。
也可以为依据本发明的反馈A/D转换器或∑-ΔA/D转换器提供较高阶的反馈A/D转换器或∑-ΔA/D转换器。在此情况中，反馈A/D转换器或∑-ΔA/D转换器将具有包含其它数字/模拟转换器的另一反馈回路，可能包含另一积分器，且每一数字/模拟转换器及每一模拟/数字转换器可能具有不同的参考电压。反馈A/D转换器或∑-ΔA/D转换器的阶级由数个反馈回路决定。相对应的情况也适用于依据本发明的反馈D/A转换器或∑-ΔD/A转换器。
图3表示具有本发明特征的串连∑-ΔA/D转换器14的电路图。串连的∑-ΔA/D转换器14包括∑-ΔA/D转换器1及∑-ΔA/D转换器1’，每一者的结构与图2所示的∑-ΔA/D转换器1相同。此外，在此电路图中，∑-ΔD/A转换器1中的积分器4的输出信号被用以输入∑-ΔA/D转换器1’的输出2’。由∑-ΔA/D转换器1及∑-ΔA/D转换器1’产生的数字信号7及7’在求和点12被相加并产生数字信号13，其为来自串级∑-ΔA/D转换器14的输出信号。

Claims (26)

1.一种反馈A/D转换器，其在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器(5)以及至少一数字/模拟转换器(8)，特征在于
第一装置，用以提供该至少一模拟/数字转换器(5)用的至少一第一参考电压，以及一第二装置，用以提供该至少一数字/模拟转换器(8)用的至少一第二参考电压，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为从该至少一模拟/数字转换器(5)产生一想要的输出信号电位。
2.如权利要求1所述的反馈A/D转换器，特征在于
至少一放大器连接于该至少一模拟/数字转换器(5)的上游，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一放大器的增益因子(a，b)而定。
3.如权利要求2所述的反馈A/D转换器，特征在于
该至少一放大器具有决定该至少一放大器的增益因子(a，b)的电组件。
4.如权利要求2或3所述的反馈A/D转换器，特征在于
来自该反馈回路的一输出信号的电位及来自该模拟/数字转换器(5)的输出信号的电位系该放大器的增益因子(a及/或b)与该至少一第二参考电压与该至少一第一参考电压的商数的乘积的函数。
5.如前述任何一个权利要求所述的反馈A/D转换器，特征在于
该第一装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第一参考电压；以及
该第二装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第二参考电压。
6.一种∑-ΔA/D转换器(1)，其在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器(5)以及至少一数字/模拟转换器(8)，以及至少一积分器(4)连接来自该至少一数字/模拟转换器(5)的下游，特征在于
第一装置(10)，用以提供该至少一模拟/数字转换器(5)用的至少一第一参考电压，以及一第二装置(11)，用以提供该至少一数字/模拟转换器(8)用的至少一第二参考电压，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一积分器(4)的增益因子(a，b)而定。
7.如权利要求6所述的∑-ΔA/D转换器(1)，特征在于
该至少一积分器(4)具有至少一电组件，尤其是至少一电阻及/或至少一电容，其被用以决定该至少一积分器(4)的该增益因子(a，b)。
8.如权利要求6或7所述的∑-ΔA/D转换器(1)，特征在于
该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据来自该至少一模拟/数字转换器(5)的一输出信号而定。
9.如权利要求6至8的任何一项所述的∑-ΔA/D转换器(1)，特征在于
来自该至少一反馈回路的一输出信号的电位及来自该模拟/数字转换器(5)的输出信号的电位系该积分器(4)的增益因子(a及/或b)与该至少一第二参考电压与该至少一第一参考电压的商数的乘积的函数。
10.如权利要求6至9的任何一项所述的∑-ΔA/D转换器(1)，特征在于
该第一装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第一参考电压；以及
该第二装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第二参考电压。
11.一种串级∑-ΔA/D转换器(14)，其于一串级电路中具有至少二个如权利要求6至10中的任何一个所述的∑-ΔA/D转换器(1，1’)。
12.一种反馈D/A转换器，其在至少一反馈回路中，具有至少一数字/模拟转换器以及至少一模拟/数字转换器，特征在于
第一装置，用以提供该至少一数字/模拟转换器用的至少一第一参考电压，以及一第二装置，用以提供该至少一模拟/数字转换器用的至少一第二参考电压，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为从该至少一数字/模拟转换器产生一想要的输出信号电位。
13.如权利要求12所述的反馈D/A转换器，特征在于
至少一放大器连接于该至少一数字/模拟转换器的上游，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一放大器的增益因子而定。
14.如权利要求13所述的反馈D/A转换器，特征在于
该至少一放大器具有用来决定该至少一放大器的增益因子的电组件。
15.如权利要求13或14所述的反馈D/A转换器，特征在于
来自该至少一反馈回路的一输出信号的电位及来自该至少一数字/模拟转换器的输出信号的电位系该至少一放大器的增益因子与该至少一第二参考电压与该至少一第一参考电压的商数的乘积的函数。
16.如权利要求12至15的任何一项所述的反馈D/A转换器，特征在于
该第一装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第一参考电压；以及
该第二装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第二参考电压。
17.一种∑-ΔD/A转换器，其在至少一反馈回路中具有至少一数字/模拟转换器以及至少一模拟/数字转换器，以及至少一积分器连接来自该至少一模拟/数字转换器的下游，特征在于
第一装置，用以提供该至少一数字/模拟转换器用的至少一第一参考电压，以及一第二装置，用以提供该至少一模拟/数字转换器用的至少一第二参考电压，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一积分器的增益因子而定。
18.如权利要求17所述的∑-ΔD/A转换器，特征在于
该至少一积分器具有至少一电组件，尤其是至少一电阻及/或至少一电容，其被用以决定该至少一积分器的该增益因子。
19.如权利要求17或18所述的∑-ΔD/A转换器，特征在于
该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据来自该至少一数字/模拟转换器的一输出信号而定。
20.如权利要求17至19中的任何一项所述的∑-ΔD/A转换器，特征在于
来自该至少一反馈回路的一输出信号的电位及来自该至少一数字/模拟转换器的输出信号的电位系该至少一积分器的增益因子与该至少一第二参考电压与该至少一第一参考电压的商数的乘积的函数。
21.如权利要求17至20中的任何一项所述的∑-ΔD/A转换器，特征在于
该第一装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第一参考电压；以及
该第二装置被设计，因此它们可被用以调整该至少一第二参考电压。
22.一种串级∑-ΔD/A转换器，其于一串级电路中具有至少二个如权利要求17至21中的任何一所述的∑-ΔD/A转换器。
23.一种用于一反馈A/D转换器的方法，其在至少一反馈回路中具有至少一模拟/数字转换器(5)以及至少一数字/模拟转换器(8)，于该方法中，
提供该至少一模拟/数字转换器(5)用的至少一第一参考电压以及该至少一数字/模拟转换器(8)用的至少一第二参考电压，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为从该至少一模拟/数字转换器(5)产生一想要的输出信号电位。
24.如权利要求23所述的方法，特征在于
该反馈A/D转换器具有至少一放大器连接于该至少一模拟/数字转换器(5)的上游，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一放大器的增益因子(a，b)而定。
25.一种用于一反馈D/A转换器的方法，其在至少一反馈回路中具有至少一数字/模拟转换器以及至少一模拟/数字转换器，于该方法，
提供该至少一数字/模拟转换器用的一第一参考电压以及该至少一模拟/数字转换器用的至少一第二参考电压，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为从该至少一数字/模拟转换器产生一想要的输出信号电位。
26.如权利要求25所述的方法，特征在于
该反馈D/A转换器具有至少一放大器连接于该至少一数字/模拟转换器的上游，其中该至少一第一参考电压及该至少一第二参考电压可被设计为依据该至少一放大器的增益因子而定。
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