DE102012102504A1

DE102012102504A1 - Datenumsetzerschaltung und -verfahren

Info

Publication number: DE102012102504A1
Application number: DE102012102504A
Authority: DE
Inventors: Torsten Hinz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2032-03-24
Also published as: CN102694553A; US8410963B2; CN102694553B; US20120242522A1; DE102012102504B4

Abstract

In einer Ausführungsform enthält ein überabgetasteter Datenumsetzer (120) ein Tiefpassfilter (122), das eine Filterstufe aufweist, die einen dynamischen Begrenzer aufweist, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der durch einen Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer (120) eingestellt wird. Der überabgetastete Datenumsetzer (120) enthält außerdem einen Quantisierungsblock (112), der einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters (122) gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters (122) gekoppelt ist, aufweist.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiterschaltungen und -verfahren und insbesondere auf eine Datenumsetzerschaltung und auf ein Datenumsetzerverfahren.
Klasse-D-Verstärker werden in Audioverstärkungsschaltungen für eine breite Vielfalt von Produkten wie etwa MP3-Player, Mobiltelefone und Stereoaudioverstärker verwendet. Ihre Verwendung ist, teilweise wegen ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer Fähigkeit, sie leicht mit digitalen Audioschaltungen zu verbinden, weit verbreitet worden. Eine typische Klasse-D-Ausgangsstufe steuert eine Ausgangslast dadurch an, dass sie die Last zwischen verschiedenen Energieversorgern mit einer höheren Frequenz als der Bandbreite des gewünschten Ausgangssignals umschaltet. Die Schaltenergie wird durch die Charakteristik der bestimmten Lastschaltung elektrisch und/oder akustisch gefiltert. Falls ein Klasse-D-Verstärker z. B. Lautsprecher mit einer Schaltfrequenz ansteuert, die höher als das hörbare Frequenzband ist, werden Audiofrequenzen in Schallenergie umgewandelt und wird die hochfrequente Schaltenergie durch die Masse und/oder durch die Induktivität des Lautsprechers gefiltert. Höhere Wirkungsgrade werden erzielt, wenn Schaltverluste über die Ausgangsschalter der Klasse-D-Ausgangsstufe minimiert werden. Da ein Klasse-D-Verstärker ein pulsmoduliertes Signal empfangen und ansteuern kann, kann eine Klasse-D-Ausgangsstufe ohne die Notwendigkeit analoger Präzisionsbauelemente in dem direkten Audiosignalweg direkt mit einer digitalen Ausgangsschaltung verbunden werden.
Darüber hinaus kann unter Verwendung überabgetasteter Digital-Analog-Umsetzungstechniken wie etwa Sigma-Delta-Modulation zur Bereitstellung eines pulsmodulierten Eingangssignals in eine Klasse-D-Ausgangsstufe ein hoher Dynamikbereich erzielt werden, der zu höherer Klangqualität führt. Allerdings ist ein Sigma-Delta-Modulator hoher Ordnung in den meisten Fällen wegen Instabilitäten, die auftreten, wenn sich das Inband-Ausgangssignal 100% des maximalen Modulationspegels annähert, nur auf einen Abschnitt des insgesamt möglichen Ausgangsdynamikbereichs beschränkt. Somit beschränken viele Systeme die Ausgabe eines Sigma-Delta-DAC unter Verwendung eines maximalen Modulationsbereichs von 50% auf etwa 50% seiner maximalen Ausgabe. Zum Beispiel ist das maximale Inband-Ausgangssignal nur etwa 5 V Spitze-Spitze äquivalent, wenn der maximale Modulationsbereich auf 50% eingestellt wird, wenn ein im Eintaktbetrieb betriebener Klasse-D-Verstärker an einer 10-Volt-Leistungsversorgung betrieben wird.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein überabgetasteter Datenumsetzer bereitgestellt, der Folgendes aufweist: ein Tiefpassfilter, das eine Filterstufe aufweist, die einen dynamischen Begrenzer aufweist, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der durch einen Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer eingestellt wird; und einen Quantisierungsblock, der einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, aufweist.
In einer Ausgestaltung kann der überabgetastete Datenumsetzer ein überabgetasteter Digital-Analog-Umsetzer (DAC) sein.
In noch einer Ausgestaltung kann der Quantisierungsblock einen Pulsbreitenmodulations-Abbildungs-Block aufweisen, wobei der Pulsbreitenmodulations-Abbildungs-Block einen Wert bei einem Eingang des Quantisierungsblocks auf ein pulsbreitenmoduliertes Signal bei dem Ausgang des Quantisierungsblocks abbildet.
In noch einer Ausgestaltung kann die Filterstufe mehrere Filterstufen aufweisen, wobei jede der mehreren Filterstufen einen jeweiligen dynamischen Begrenzer aufweist, der einen Grenzwert aufweist, der durch den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer eingestellt wird.
In noch einer Ausgestaltung kann jede der mehreren Filterstufen ferner einen jeweiligen Integrator aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann jede der mehreren Filterstufen ferner ein jeweiliges Verzögerungselement aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann wenigstens eine der Filterstufen eine Filterstufe zweiter Ordnung aufweisen, wobei die Filterstufe zweiter Ordnung zwei dynamische Begrenzer und zwei Integratoren aufweisen kann.
In noch einer Ausgestaltung kann der Überabgetastete Datenumsetzer ferner einen Begrenzersteuerblock aufweisen, der mit dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer gekoppelt ist, wobei der Begrenzersteuerblock einen Komparatorblock aufweist, der den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um eine erste quantisierte Steuerausgabe zu erzeugen, wobei der Grenzwert des jeweiligen dynamischen Begrenzers durch einen Pegel des ersten quantisierten Steuersignals eingestellt wird.
In noch einer Ausgestaltung kann der Überabgetasteter Datenumsetzer ferner einen Summenpunkt aufweisen, der zwischen den Ausgang des Quantisierungsblocks und den Eingang in das Tiefpassfilter geschaltet ist.
In noch einer Ausgestaltung kann das Tiefpassfilter ferner wenigstens einen Summenblock aufweisen, der die Ausgabe des Quantisierungsblocks mit der Eingabe in den überabgetasteten Datenumsetzer summiert.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Ausführen einer Datenumsetzung bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bestimmen eines Grenzwerts auf der Grundlage einer Amplitude eines Eingangssignals; und Filtern einer Summe des Eingangssignals und eines Rückkopplungssignals zum Erzeugen eines gefilterten Signals, wobei das Filtern Folgendes aufweist: Integrieren der Summe des Eingangssignals und des Rückkopplungssignals zum Erzeugen eines ersten integrierten Signals, und Begrenzen des integrierten Signals auf den bestimmten Grenzwert; Quantisieren des gefilterten Signals zum Erzeugen eines quantisierten Signals; Erzeugen des Rückkopplungssignals auf der Grundlage des quantisierten Signals; und Erzeugen eines elektronischen Ausgangssignals auf der Grundlage des quantisierten Signals.
In einer Ausgestaltung kann das quantisierte Signal in der Weise konfiguriert werden, dass es 100% eines Modulationsratenwerts belegt.
In noch einer Ausgestaltung kann das Quantisieren des gefilterten Signals das Erzeugen eines pulsbreitenmodulierten Signals (PWM-Signals) aufweisen, das eine Pulsbreite aufweist, die proportional zu einer Amplitude des gefilterten Signals ist.
In noch einer Ausgestaltung kann das Erzeugen des pulsbreitenmodulierten Signals (PWM-Signals) das Abbilden eines Ausgangswerts auf eine von mehreren Pulsbreiten innerhalb einer festen Pulsperiode aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner das Ansteuern eines Lautsprechers mit dem elektronischen Ausgangssignal aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann das Filtern ferner Folgendes aufweisen: Erzeugen weiter integrierter Signale; und Begrenzen der weiter integrierten Signale auf der Grundlage des bestimmten Grenzwerts.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine integrierte Schaltung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: einen überabgetasteten Digital-Analog-Umsetzer (DAC), wobei der überabgetastete DAC Folgendes aufweist: ein Tiefpassfilter, das Filterstufen aufweist, die einen Integrator und einen dynamischen Begrenzer aufweisen, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der in Übereinstimmung mit einem Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten DAC eingestellt wird; und einen Quantisierungsblock, der einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, aufweist.
In einer Ausgestaltung kann der Quantisierungsblock einen Pulsbreitenmodulationsgenerator (PWM-Generator) aufweisen, wobei der PWM-Generator die Ausgabe des Tiefpassfilters in ein pulsbreitenmoduliertes Signal umsetzt.
In noch einer Ausgestaltung kann das pulsbreitenmodulierte Signal eine feste Pulsperiode und einen variablen Tastgrad aufweisen.
In noch einer Ausgestaltung kann eine Signalausgabe des Quantisierungsblocks so konfiguriert sein, dass sie wenigstens 95% eines Modulationsratenwerts belegt.
In noch einer Ausgestaltung kann die integrierte Schaltung ferner einen Klasse-D-Audiotreiber aufweisen, der mit einem Ausgang des Quantisierungsblocks gekoppelt ist.
In noch einer Ausgestaltung kann die integrierte Schaltung ferner einen Grenzwerterzeugungsblock aufweisen, der mit dem Eingang in den überabgetasteten DAC gekoppelt ist, wobei der Grenzwerterzeugungsblock einen Komparator aufweist, der den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten DAC mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um ein erstes quantisiertes Steuersignal zu erzeugen, wobei der Grenzwert des dynamischen Begrenzers der Filterstufen in Übereinstimmung mit dem ersten quantisierten Steuersignal eingestellt wird.
In noch einer Ausgestaltung kann die integrierte Schaltung ferner einen Summenpunkt aufweisen, der zwischen den Ausgang des Quantisierungsblocks und den Eingang des Tiefpassfilters geschaltet ist.
In noch einer Ausgestaltung kann das Tiefpassfilter einen Summenblock aufweisen, der die Ausgabe des Quantisierungsblocks mit der Eingabe in den überabgetasteten DAC summiert.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und von deren Vorteilen wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 einen Modulator des Standes der Technik darstellt;
2 einen Modulator in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ein Signalformdiagramm einer PWM-Mapping-Schaltung einer Ausführungsform darstellt;
4 ein Tiefpassfilter einer Ausführungsform mit dynamisch einstellbaren Begrenzern darstellt;
5 ein Tiefpassfilter mit dynamisch einstellbaren Begrenzern in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform darstellt; und
6 eine integrierte Schaltung einer Ausführungsform darstellt.
Im Folgenden werden die Herstellung und die Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen ausführlich besprochen. Allerdings sollte gewürdigt werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte schafft, die in einer breiten Vielfalt spezifischer Konzepte verkörpert werden können. Die spezifischen diskutierten Ausführungsformen sind lediglich spezifische Arten der Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, d. h. einem überabgetasteten Digital-Analog-Umsetzer für eine Audioanwendung, beschrieben. Allerdings kann die Erfindung auf andere Typen von Datenumsetzern wie etwa Analog-Digital-Umsetzer und auf andere Typen von Anwendungen angewendet werden.
In einer Ausführungsform werden die Grenzwerte von Begrenzungsstufen innerhalb eines Filters eines überabgetasteten Modulators in Übereinstimmung mit einem Eingangspegel des überabgetasteten Modulators dynamisch eingestellt. Durch dynamisches Einstellen der Pegel können Modulationsfaktoren von 100% erzielt werden.
1 stellt einen herkömmlichen Delta-Sigma-Modulator 100 dar, der einen digitalen Eingangsdatenstrom digital_in in einen pulsmodulierten Strom pwm_out umsetzt. Das Ausgangssignal pwm_out wird daraufhin zum Ansteuern einer Klasse-D-Ausgangsstufe verwendet oder wird zum Ableiten eines pulsbreitenmodulierten Signals verwendet, das zum Ansteuern einer Klasse-D-Ausgangsstufe verwendet wird. Der Modulator 100 weist ein Tiefpassfilter 102, einen Quantisierer 104, einen Rückkopplungsblock 106 und einen Summenpunkt 108 auf. Das quantisierte Signal pwm_out wird beim Summenpunkt 108 von dem Eingangsdatenstrom digital_in subtrahiert, so dass eine geschlossene Schleife gebildet wird. Das Tiefpassfilter 102 stellt sicher, dass der Niederfrequenzabschnitt der quantisierten Ausgabe eng dem digital_in folgt. Die Rückkopplungswirkung der Schleife verschiebt durch den Quantisierer 104 erzeugtes Quantisierungsrauschen in höhere Frequenzen in dem Sperrbereich des Tiefpassfilters 102. Je höher die Verstärkung ist und je höher die Ordnung des Tiefpassfilters 102 ist, desto kleiner ist die Menge des Quantisierungsrauschens, das innerhalb des Durchlassbereichs des Tiefpassfilters 102 in Bezug auf das Ausgangsspektrum von pwm_out liegt.
Allerdings kann die Schleife wegen einer effektiven Verringerung der äquivalenten Verstärkung des Quantisierers 104 instabil werden, wenn ein hoher Eingangspegel an den Modulator 100 übergeben wird. Wenn ein Schleifenfilter hoher Ordnung verwendet wird, verschiebt diese Verringerung der Verstärkung einen Teil der Pole der geschlossenen Schleife in den rechten Abschnitt der komplexen Ebene. Die praktische Wirkung dieser Instabilitäten ist, dass der Inband-Störpegel beim Einsetzen der Instabilität zunimmt, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verringert wird. Um diese Instabilität zu vermeiden, begrenzen dementsprechend herkömmliche Anwendungen den Eingangssignalpegel zu dem Modulator allgemein auf einen Bruchteil seines Vollaussteuerungs-Dynamikbereichs. Zum Beispiel wird der Eingangssignalpegel zu dem Modulator in einigen Anwendungen auf 50% seines vollen Eingangsbereichs begrenzt. Infolgedessen wird der Ausgangsbereich des Modulators auf einen Bruchteil seines maximalen Ausgangsbereichs begrenzt. Dieses Schema begrenzt die Fähigkeit des Modulators, einen Ausgangsmodulationsfaktor von 100% zu erzeugen, dem entspricht, dass der Modulator den gesamten verfügbaren Dynamikbereich bei dem Ausgang verwendet. Ein Beispiel einer Schaltung, die bei einem Modulationsfaktor von 100% arbeitet, ist ein Eintakt-Klasse-D-Verstärker, der ein 1-V-Spitze-Spitze-Basisbandsignal ausgibt, während er seinen Ausgang von 0 V auf 1 V umschaltet.
2 veranschaulicht einen Modulator 120 einer Ausführungsform, der einen Modulationsfaktor von 100% erzielt und die Stabilität durch dynamisches Einstellen der Grenzwerte der Begrenzungsstufen innerhalb des Tiefpassfilters 122 in Übereinstimmung mit einem Eingangspegel digital_in des überabgetasteten Modulators 120 aufrechterhält. Die Quantisierungsfunktion der Schleife wird hier durch den Pulsbreitenmodulations-Mapper 112 ausgeführt. In einer Ausführungsform wird die Ausgabe des Tiefpassfilters 122 in PWM-Symbole umgesetzt, die eine konstante Zeitperiode und veränderliche Pulsbreiten aufweisen.
3 veranschaulicht eine PWM-Abbildungs-Funktion einer Ausführungsform. Bei einer Abbildung-Eingabe von 7 erzeugt die PWM-Abbildung eine lange Pulsbreite bei einer Abbildung-Eingabe von 7, während die Abbildung-Funktion bei einer Abbildung-Eingabe von 0 einen Tastgrad von 50% erzeugt. Bei einer Abbildung-Eingabe von –7 wird eine kurze Pulsbreite erzeugt. In dem Graphen aus 3 repräsentiert die y-Achse eine Logik und/oder einen Spannungspegel und repräsentiert die x-Achse die Zeit. PWM-Abbildungen, die Zwischenwerten von 3 bis 6 und –6 bis –3 entsprechen, sind zur Einfachheit der Darstellung nicht gezeigt. Es sollte gewürdigt werden, dass die in 3 gezeigten Abbildungen nur Beispiele vieler möglicher Abbildungen sind. In Ausführungsformen, die einen Modulationsfaktor von 100% verwenden, entspricht der minimale Eingangswert einer Tastgrad-Pulsbreite von 0% (z. B. bleibt die Eingabe tief) und entspricht der maximale Eingangswert einer Tastgrad-Pulsbreite von 100%. In Ausführungsformen, die keinen Tastgrad von 100% verwenden, wird die Abbildungs-Funktion dementsprechend skaliert. In weiteren Ausführungsformen können andere Abbildungs- oder Quantisierungsfunktionen verwendet werden.
4 veranschaulicht ein Tiefpassfilter 200 einer Ausführungsform mit dynamischen Sättigungselementen. Die Daten werden dem Filter 200 von dem 25-Bit-Bus lowpass_filter_in zugeführt und die Daten werden vom Filter 200 auf dem Bus lowpass_filter_out ausgegeben. In einer Ausführungsform ist das Tiefpassfilter 200 ein Filter vierter Ordnung, das zwei Abschnitte 250 und 252 zweiter Ordnung aufweist. Der Abschnitt 250 zweiter Ordnung weist einen ersten Integrator, der aus dem Summenpunkt 214, dem programmierbaren Begrenzerblock 216 und dem Verzögerungselement 218 gebildet wird, und einen zweiten Integrator, der von dem Summenpunkt 220, dem programmierbaren Begrenzerblock 222 und dem Verzögerungselement 224 gebildet wird, auf. Die Ausgabe des Verzögerungselements 224 wird über den Summenpunkt 214 des Verstärkungsblocks 202 zu dem Eingang des ersten Integrators rückgekoppelt. Der Abschnitt 252 zweiter Ordnung weist einen ersten Integrator, der aus dem Summenpunkt 226, dem programmierbaren Begrenzerblock 228 und dem Verzögerungselement 230 gebildet wird, und einen zweiten Integrator, der aus dem Summenpunkt 232, dem programmierbaren Begrenzerblock 234 und dem Verzögerungselement 236 gebildet wird, auf. Die Ausgabe des Verzögerungselements 236 wird über den Summenpunkt 226 des Verstärkungsblocks 206 zu dem Eingang des ersten Integrators rückgekoppelt. Der Abschnitt 252 zweiter Ordnung ist über den Verstärkungsblock 208 mit dem Abschnitt 250 zweiter Ordnung gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen können die Abschnitte zweiter Ordnung und die Integratoren mit den Abschnitten zweiter Ordnung unter Verwendung verschiedener im Gebiet bekannter Topologien implementiert sein. In weiteren alternativen Ausführungsformen können höhere und niedrigere Filterordnungen implementiert sein und können verschiedene weitere Filtertopologien verwendet sein.
In einer Ausführungsform werden die Sättigungsgrenzwerte der programmierbaren Begrenzer 216, 222, 228 und 234 durch den Begrenzersteuerblock 254 gesteuert. In einer Ausführungsform nimmt der Begrenzersteuerblock 252 den Absolutwert 256 der Modulatoreingabe digital_in und vergleicht den Absolutwert vom Block 256 unter Verwendung des Komparators 258 mit mehreren Schwellenwerten. Die Sättigungsgrenzwerte der programmierbaren Begrenzer 216, 222, 228 und 234 werden in Abhängigkeit von der Ausgabe der Komparatoren eingestellt. In einer Ausführungsform können die Sättigungsgrenzwerte dieser Blöcke in Übereinstimmung mit der Ausgabe des Begrenzersteuerblocks 254 zwischen von einem digitalen Ausgangsbereich von [–2²⁸ + 1; 2²⁸ – 1] bis zu einem digitalen Ausgangsbereich von [–2²⁴ + 1; 2²⁴ – 1] eingestellt werden. In einer Ausführungsform werden die folgenden Sättigungsgrenzwerte bestimmt, wie sie durch den folgenden Pseudocode dargestellt sind:
wenn (if) |inp| < 0x68000: sat[–2²⁸ + 1; 2²⁸ – 1] dann (else)
wenn (if) |inp| < 0x70000: sat[–2²⁷ + 1; 2²⁷ – 1] dann (else)
wenn (if) |inp| < 0x78000: sat[–2²⁶ + 1; 2²⁶ – 1] dann (else)
wenn (if) |inp| < 0x7c000: sat[–2²⁵ + 1; 2²⁵ – 1] dann (else)
sat[–2²⁴ + 1; 2²⁴ – 1].
Die Variable inp repräsentiert hier eine 25-Bit-Eingangsarbeit in Zweierkomplimentform. Alternativ können andere Sättigungsgrenzwertbereiche, Zahlenformate, Mapping-Funktionen und Bestimmungsverfahren verwendet werden. Zum Beispiel können die Sättigungsgrenzwerte unter Verwendung einer dedizierten Logik oder unter Verwendung eines Prozessors bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen sind die Elemente des Tiefpassfilters 200 unter Verwendung einer nutzerangepassten Logik, einer Standardlogik, von Software oder anderer digitaler Systeme und Verfahren implementiert. In einer Ausführungsform sind die programmierbaren Sättigungsgrenzwerte der programmierbaren Begrenzer 216, 222, 228 und 234 unter Verwendung von Nachschlagetabellen (Look-Up-Tabellen) implementiert. Die Verstärkungsblöcke 202, 204, 206, 208, 210 und 212 können z. B. unter Verwendung von Verschiebeeinrichtungen implementiert sein. Zum Beispiel kann der Skalierungsblock 202 seine Divisionsfunktion durch Rechtsverschiebung seiner Eingabe um 8 Bits ausführen. In alternativen Ausführungsformen können einige oder alle der Blöcke aus 4 unter Verwendung analoger Blöcke konstruiert sein und/oder unter Verwendung analoger Verfahren implementiert sein. In nochmals weiteren Ausführungsformen können Modulatortechniken der Ausführungsform zur Implementierung eines Analog-Digital-Umsetzers verwendet sein.
5 veranschaulicht ein Tiefpassfilter 300 einer Ausführungsform, das die Funktion des Summenpunkts 108 aus 2 zum Schließen der Modulatorschleife enthält. Diese Summenpunktfunktionalität ist innerhalb der Summenblöcke 350, 352, 354, 356 und 358 enthalten. Das Tiefpassfilter 300 ist ein Filter sechster Ordnung, das Abschnitte 302, 304 und 306 zweiter Ordnung aufweist. Die Grenzwerte der programmierbaren Begrenzer 320, 322, 324, 326 und 328 werden durch den Steuerblock 310 gesteuert und werden in Übereinstimmung mit oben beschriebenen Ausführungsformen betrieben. In einer Ausführungsform können die Sättigungsgrenzwerte dieser Blöcke in Abhängigkeit von der Ausgabe des Begrenzersteuerblocks 310 in der Weise eingestellt werden, dass ein digitaler Ausgangsbereich geliefert wird, der von [–2²⁸ + 1; 2²⁸ – 1] bis [–2²⁴ + 1; 2²⁴ – 1] variiert. Darüber hinaus kann in alternativen Ausführungsformen eine Teilmenge der Summenblöcke verwendet werden, um die Signale loop_filter_in und feedback_in zu summieren, oder es kann ebenfalls ein getrennter Summenblock verwendet werden. Ferner können die in 5 gezeigten Blöcke selbstverständlich wie gezeigt getrennt aufgeteilt sein oder ihre Funktionen können in digitalen Blöcken, die mehrere Funktionen ausführen, wie etwa in einer Prozessorschaltung, enthalten sein. In einigen Ausführungsformen ist das Signal loop_filter_in die Eingabe in den Modulator und ist das Signal feedback_in die Ausgabe des Quantisierers oder eine skalierte Version der Ausgabe des Quantisierers. In einigen Fällen ist diese Ausgabe ähnlich der Ausgabe des Blocks 106 in 2.
In einer Ausführungsform können die Integratoren innerhalb der Filterabschnitte 302, 304 und 306 zweiter Ordnung in einer Vielzahl von Arten implementiert sein. Zum Beispiel weist der erste Integrator im Abschnitt 304 zweiter Ordnung einen Verzögerungsblock 330 in dem Rückkopplungsweg des Integrators auf, während der zweite Integrator im Abschnitt 304 zweiter Ordnung einen Verzögerungsblock 332 in dem Vorwärtsweg des Integrators aufweist. In weiteren alternativen Ausführungsformen können Integratorverzögerungsblöcke innerhalb des Filters an verschiedenen weiteren Stellen und in verschiedenen weiteren Konfigurationen positioniert sein.
In einer Ausführungsform skaliert und quantisiert der Ausgangsschnittstellenblock 312 die Ausgabe des Abschnitts 306 zweiter Ordnung zu einem Fünf-Bit-Wort mit Zweierkomplementwerten zwischen –12 und 12, um das Signal loop_filter_out zu erzeugen, das daraufhin an den Eingang eines PWM-Mapping-Blocks wie etwa des in 2 gezeigten Blocks 112 geliefert wird. In weiteren Ausführungsformen können an der Ausgabe des Abschnitts 306 zweiter Ordnung andere Ausgangswortformen und Quantisierungsoperationen ausgeführt werden.
6 veranschaulicht eine integrierte Schaltung 400, die einen Datenumsetzer einer Ausführungsform implementiert. Hier werden Audiodaten über eine Integrated-Interchip-Sound-I2S-Schnittstelle 402 oder über eine Sony/Philips-Digital-Interconnect-Format-Schnittstelle (SPDIF-Schnittstelle) 404 empfangen und über einen MUX 406 ausgewählt. Der Abtastraten-Umsetzungsblock 408 setzt die Datenabtastrate z. B. von 32 kHz auf 96 kHz um und der MUX 412 wählt die neu abgetasteten Daten oder die Ausgabe des beim Test verwendeten Testsignalblocks 410 aus. Alternativ können andere Abtastraten und Umsetzungsfaktoren verwendet werden. Der SVC-Block 414 steuert Lautstärke und Bass- und Höhenverstärkung oder -dämpfung. Der FIR-Filterblock 416 filtert auf der Grundlage von Koeffizienten im Koeffizientenspeicher 418 die Ausgabe des SVC 414. Der Kanallautstärke-Steuerblock CHVC enthält zusätzliche Lautstärkeeinstellelemente und Audiostrommanipulations- und -begrenzungsblöcke. Der PWM-Block 422 setzt die Ausgabe des CHVC-Blocks unter Verwendung der wie oben beschriebenen Modulatorfunktionen einer Ausführungsform in eine pulsbreitenmodulierte Signalform um, deren Ausgabe durch den Klasse-D-Ausgangstreiber 424 differentiell ausgegeben wird. Die Spannungsregler 430, 432, 434 und 436 liefern ±5-V-Spannungsversorgungspegel an die Klasse-D-Ausgangstreiber 424 und 426, um die Gates der Ausgangstransistoren anzusteuern. In alternativen Ausführungsformen können andere Spannungsversorgungspegel verwendet werden oder können die Spannungsregler weggelassen sein.
In einer Ausführungsform ist ein zweiter Differential-Klasse-D-Treiber 426 enthalten, um eine Stereoausgabe zu liefern. In einer Ausführungsform kann die IC 400 für solche Anwendungen wie etwa, aber nicht beschränkt auf, einen Audioverstärker für Fernsehgeräte, Radios und Heimtheaterverstärker verwendet werden. Es sollte gewürdigt werden, dass die IC 400 nur ein Beispiel für viele mögliche Implementierungen der Systeme und Verfahren einer Ausführungsform ist.
In einer Ausführungsform enthält ein überabgetasteter Datenumsetzer ein Tiefpassfilter, das eine Filterstufe aufweist, die einen dynamischen Begrenzer aufweist, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der durch einen Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer eingestellt wird. Außerdem enthält der überabgetastete Datenumsetzer einen Quantisierungsblock, der einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, aufweist. In einigen Ausführungsformen enthält die Filterstufe mehrere Filterstufen, wobei jede der mehreren Filterstufen einen jeweiligen dynamischen Begrenzer aufweist, der einen Grenzwert aufweist, der durch den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer eingestellt wird. Darüber hinaus enthält der überabgetastete Datenumsetzer in einigen Ausführungsformen einen Summenpunkt, der zwischen den Ausgang des Quantisierungsblocks und den Eingang in das Tiefpassfilter geschaltet ist, wobei der Summenpunkt einen ersten Eingang, der mit einem Systemeingang gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Quantisierungsblocks gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit dem Eingang in das Tiefpassfilter gekoppelt ist, aufweist. In einigen Ausführungsformen ist dieser Summenpunkt ein expliziter Funktionsblock, der eine modulare Schleife schließt, während dieser Summenpunkt in anderen Ausführungsformen implizit innerhalb des Filterblocks implementiert ist.
In einer Ausführungsform weist jede der mehreren Filterstufen ferner einen jeweiligen Integrator auf. In einigen Ausführungsformen weist jede der mehreren Filterstufen ferner ein jeweiliges Verzögerungselement auf. In einer Ausführungsform enthält wenigstens eine der Filterstufen eine Filterstufe zweiter Ordnung, die zwei dynamische Begrenzer und zwei Integratoren aufweist. In einer Ausführungsform enthält der Schritt des Filterns ebenfalls das Erzeugen weiter integrierter Signale und das Begrenzen der weiter integrierten Signale auf der Grundlage des bestimmten Grenzwerts.
In einer Ausführungsform enthält der überabgetastete Datenumsetzer außerdem einen Begrenzersteuerblock, der mit dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer gekoppelt ist. Der Begrenzersteuerblock enthält einen Komparatorblock, der den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um eine erste quantisierte Steuerausgabe zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird der Grenzwert des jeweiligen dynamischen Begrenzers durch einen Pegel der ersten quantisierten Steuerausgabe eingestellt.
In einer Ausführungsform ist der Datenumsetzer ein überabgetasteter Digital-Analog-Umsetzer (DAC), während die Datenumsetzer in alternativen Ausführungsformen Analog-Digital-Umsetzer sein können. In einer Ausführungsform enthält der Quantisierungsblock einen Pulsbreitenmodulations-Abbildungs-Block, der einen Wert bei einem Eingang des Quantisierungsblocks auf ein pulsbreitenmoduliertes Signal bei dem Ausgang des Quantisierungsblocks abbildet.
In einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Ausführen einer Datenumsetzung das Bestimmen eines Grenzwerts auf der Grundlage einer Amplitude eines Eingangssignals und das Filtern einer Summe des Eingangssignals und eines Rückkopplungssignals zum Erzeugen eines gefilterten Signals. In einer Ausführungsform enthält der Filterungsschritt das Integrieren der Summe des Eingangssignals und des Rückkopplungssignals zum Erzeugen eines ersten integrierten Signals und das Begrenzen des integrierten Signals auf den vorgegebenen Grenzwert. Außerdem enthält das Verfahren das Quantisieren des gefilterten Signals zum Erzeugen eines quantisierten Signals, das Erzeugen des Rückkopplungssignals auf der Grundlage des quantisierten Signals und das Erzeugen eines elektronischen Ausgangssignals auf der Grundlage des quantisierten Signals. In einer Ausführungsform ist das quantisierte Signal so konfiguriert, dass es 100% eines Modulationsratenwerts belegt. In anderen Ausführungsformen kann dieser Modulationswert Werte, die von 100% verschieden sind, z. B. 90%, 95% oder andere Werte, annehmen. In einigen Ausführungsformen weist das Quantisieren des gefilterten Signals das Erzeugen eines pulsbreitenmodulierten Signals (PWM-Signals) auf, das eine Pulsbreite proportional zu einer Amplitude des gefilterten Signals aufweist. In einem Beispiel enthält das pulsbreitenmodulierte Signal (PWM-Signal) das Abbilden eines Ausgangswerts auf eine von mehreren Pulsbreiten innerhalb der festen Pulsperiode. In einer Ausführungsform enthält das Verfahren außerdem das Ansteuern eines Lautsprechers mit dem elektronischen Ausgangssignal.
In einer Ausführungsform enthält eine integrierte Schaltung einen überabgetasteten Digital-Analog-Umsetzer (DAC), der ein Tiefpassfilter und einen Quantisierungsblock aufweist. Das Tiefpassfilter weist Filterstufen auf, die einen Integrator und einen dynamischen Begrenzer enthalten, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der in Übereinstimmung mit einem Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten DAC eingestellt wird. Der Quantisierungsblock enthält einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters gekoppelt ist. In einer Ausführungsform enthält der Quantisierungsblock einen Pulsbreitenmodulationsgenerator (PWM-Generator), der die Ausgabe des Tiefpassfilters in ein pulsbreitenmoduliertes Signal umsetzt. In einer Ausführungsform weist das pulsbreitenmodulierte Signal eine feste Pulsperiode und einen variablen Tastgrad auf. In einer gewissen Ausführungsform ist eine Signalausgabe des Quantisierungsblocks in der Weise konfiguriert, dass sie 100% eines Modulationsratenwerts belegt, und in einer gewissen Ausführungsform enthält die integrierte Schaltung außerdem einen Klasse-D-Audioverstärker, der mit einem Ausgang des Quantisierungsblocks gekoppelt ist.
In einer gewissen Ausführungsform enthält die integrierte Schaltung ferner einen Grenzwerterzeugungsblock, der mit dem Eingang in den überabgetasteten DAC gekoppelt ist. Der Grenzwerterzeugungsblock weist einen Komparator auf, der den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten DAC mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um ein erstes quantisiertes Steuersignal zu erzeugen. Der Grenzwert des dynamischen Begrenzers der Filterstufen wird in Übereinstimmung mit dem ersten quantisierten Steuersignal eingestellt.
Vorteile von Ausführungsformen enthalten die Fähigkeit zum Betreiben eines überabgetasteten DAC mit einem Modulationsfaktor von bis zu 100%, ohne dass Instabilitäten und das inakzeptabel verringerte SNR, das diese Instabilitäten begleitet, erlitten werden. Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen beinhaltet die Fähigkeit, die Leistung eines überabgetasteten DAC aufrechtzuerhalten, ohne die Ausgangsamplitude des DAC zu begrenzen oder ohne einen niedrigeren Schleifenfilterverstärkungsfaktor zu verwenden.
Obgleich diese Erfindung anhand veranschaulichender Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn verstanden werden. Verschiedene Änderungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung gehen für den Fachmann auf dem Gebiet anhand der Beschreibung hervor. Somit sollen die beigefügten Ansprüche alle solche Änderungen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Überabgetasteter Datenumsetzer (120), der Folgendes aufweist: • ein Tiefpassfilter (122), das eine Filterstufe aufweist, die einen dynamischen Begrenzer aufweist, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der durch einen Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer (120) eingestellt wird; und • einen Quantisierungsblock (112), der einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters (122) gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters (122) gekoppelt ist, aufweist.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß Anspruch 1, wobei der überabgetastete Datenumsetzer (120) ein überabgetasteter Digital-Analog-Umsetzer (DAC) (120) ist.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß Anspruch 2, wobei der Quantisierungsblock (112) einen Pulsbreitenmodulations-Abbildungs-Block (112) aufweist, wobei der Pulsbreitenmodulations-Abbildungs-Block (112) einen Wert bei einem Eingang des Quantisierungsblocks (112) auf ein pulsbreitenmoduliertes Signal bei dem Ausgang des Quantisierungsblocks (112) abbildet.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Filterstufe mehrere Filterstufen aufweist, wobei jede der mehreren Filterstufen einen jeweiligen dynamischen Begrenzer aufweist, der einen Grenzwert aufweist, der durch den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer (120) eingestellt wird.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß Anspruch 4, wobei jede der mehreren Filterstufen ferner einen jeweiligen Integrator aufweist.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei jede der mehreren Filterstufen ferner ein jeweiliges Verzögerungselement aufweist.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei wenigstens eine der Filterstufen eine Filterstufe zweiter Ordnung aufweist, wobei die Filterstufe zweiter Ordnung zwei dynamische Begrenzer und zwei Integratoren aufweist.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, der ferner einen Begrenzersteuerblock aufweist, der mit dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer (120) gekoppelt ist, wobei der Begrenzersteuerblock einen Komparatorblock aufweist, der den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten Datenumsetzer (120) mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um eine erste quantisierte Steuerausgabe zu erzeugen, wobei der Grenzwert des jeweiligen dynamischen Begrenzers durch einen Pegel des ersten quantisierten Steuersignals eingestellt wird.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner einen Summenpunkt (108) aufweist, der zwischen den Ausgang des Quantisierungsblocks (112) und den Eingang in das Tiefpassfilter (122) geschaltet ist.
Überabgetasteter Datenumsetzer (120) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Tiefpassfilter (122) ferner wenigstens einen Summenblock (108) aufweist, der die Ausgabe des Quantisierungsblocks (112) mit der Eingabe in den überabgetasteten Datenumsetzer (120) summiert.
Verfahren zum Ausführen einer Datenumsetzung, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bestimmen eines Grenzwerts auf der Grundlage einer Amplitude eines Eingangssignals; und Filtern einer Summe des Eingangssignals und eines Rückkopplungssignals zum Erzeugen eines gefilterten Signals, wobei das Filtern Folgendes aufweist: • Integrieren der Summe des Eingangssignals und des Rückkopplungssignals zum Erzeugen eines ersten integrierten Signals, und • Begrenzen des integrierten Signals auf den bestimmten Grenzwert; Quantisieren des gefilterten Signals zum Erzeugen eines quantisierten Signals; Erzeugen des Rückkopplungssignals auf der Grundlage des quantisierten Signals; und Erzeugen eines elektronischen Ausgangssignals auf der Grundlage des quantisierten Signals.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das quantisierte Signal in der Weise konfiguriert wird, dass es 100% eines Modulationsratenwerts belegt.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das Quantisieren des gefilterten Signals das Erzeugen eines pulsbreitenmodulierten Signals (PWM-Signals) aufweist, das eine Pulsbreite aufweist, die proportional zu einer Amplitude des gefilterten Signals ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Erzeugen des pulsbreitenmodulierten Signals (PWM-Signals) das Abbilden eines Ausgangswerts auf eine von mehreren Pulsbreiten innerhalb einer festen Pulsperiode aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das ferner das Ansteuern eines Lautsprechers mit dem elektronischen Ausgangssignal aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Filtern ferner Folgendes aufweist: • Erzeugen weiter integrierter Signale; und • Begrenzen der weiter integrierten Signale auf der Grundlage des bestimmten Grenzwerts.
Integrierte Schaltung, die Folgendes aufweist: einen überabgetasteten Digital-Analog-Umsetzer (DAC) (120), wobei der überabgetastete DAC (120) Folgendes aufweist: • ein Tiefpassfilter (122), das Filterstufen aufweist, die einen Integrator und einen dynamischen Begrenzer aufweisen, wobei der dynamische Begrenzer einen Grenzwert aufweist, der in Übereinstimmung mit einem Signalpegel bei einem Eingang in den überabgetasteten DAC (120) eingestellt wird; und • einen Quantisierungsblock (112), der einen Eingang, der mit einem Ausgang des Tiefpassfilters (122) gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des Tiefpassfilters (122) gekoppelt ist, aufweist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 17, wobei der Quantisierungsblock (112) einen Pulsbreitenmodulationsgenerator (PWM-Generator) aufweist, wobei der PWM-Generator die Ausgabe des Tiefpassfilters (122) in ein pulsbreitenmoduliertes Signal umsetzt.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 18, wobei das pulsbreitenmodulierte Signal eine feste Pulsperiode und einen variablen Tastgrad aufweist.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei eine Signalausgabe des Quantisierungsblocks (112) so konfiguriert ist, dass sie wenigstens 95% eines Modulationsratenwerts belegt.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, die ferner einen Klasse-D-Audiotreiber aufweist, der mit einem Ausgang des Quantisierungsblocks (112) gekoppelt ist.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, die ferner einen Grenzwerterzeugungsblock aufweist, der mit dem Eingang in den überabgetasteten DAC (120) gekoppelt ist, wobei der Grenzwerterzeugungsblock einen Komparator aufweist, der den Signalpegel bei dem Eingang in den überabgetasteten DAC (120) mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um ein erstes quantisiertes Steuersignal zu erzeugen, wobei der Grenzwert des dynamischen Begrenzers der Filterstufen in Übereinstimmung mit dem ersten quantisierten Steuersignal eingestellt wird.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, die ferner einen Summenpunkt (108) aufweist, der zwischen den Ausgang des Quantisierungsblocks (112) und den Eingang des Tiefpassfilters (122) geschaltet ist.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei das Tiefpassfilter (122) einen Summenblock (108) aufweist, der die Ausgabe des Quantisierungsblocks (112) mit der Eingabe in den überabgetasteten DAC (120) summiert.