ITVA20070076A1 - "modulatore sigma_delta per applicazioni pwm con controllo di minima dinamica e dithering" - Google Patents
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Description
"MODULATORE SIGMA_DELTA PER APPLICAZIONI PWM CON CONTROLLO DI MINIMA DINAMICA E DITHERING"
CAMPO D’APPLICAZIONE
La presente invenzione riguarda strutture sigma-delta digitali con modulazione PWM, o PWM like, in uscita.
DISCUSSIONE DELL'ARTE NOTA
La struttura circuitale sigma-delta rappresenta un vero e proprio "building block", cioè un circuito o stadio funzionale retroazionato generante in uscita una replica filtrata della differenza tra due segnali d'ingresso che trova impiego in innumerevoli circuiti per specifiche funzioni. Tipici campi d'impiego delle strutture sigma-delta è in convertitori di segnali dal dominio analogico al dominio digitale e vice versa, in modulatori, in filtri digitali e analoghi circuiti.
In applicazioni a modulazione di larghezza d'impulso e similari (comunemente note come PWM o PWM-like systems), lo stadio o modulatore sigma delta precede o è associato ad uno stadio quantizzatore di modulazione PWM, o PWM-like, che in applicazioni PWM sostituisce il quantizzatore ad uno o più bit utilizzato per implementare un convertitore (ad esempio un ADC), e l'anello di feedback della struttura sigma-delta è chiuso da un blocco di ritardo 1/z, atto ad introdurre un ritardo equivalente ad un valore comunemente frazionario del periodo del segnale PWM, come illustrato nello schema circuitale di Figura 1.
In Figura 1 è esemplificato un circuito sigma-delta con uscita PWM o PWM-like, del primo ordine con uscita a bit singolo, in cui il segnale di ingresso del sistema viene elaborato assieme ad un segnale proporzionale al segnale presente all'uscita del modulatore di uscita, ritardato di un tempo stabilito dal blocco di ritardo (1/z).
Un tale modulatore PWM spesso pilota uno stadio di potenza, ad esempio un altoparlante di un apparecchio acustico, un attuatore di movimento o altro.
La Figura 2 mostra un esempio di schema circuitale di un modulatore PWM sigma-delta del terzo ordine con uscita a singolo bit.
Per ragioni di minimizzazione della distorsione e per di problemi di risposta di stadi d'uscita a ponte di transistori di potenza, sussistono spesso dei vincoli sulla durata minima degli impulsi di segnale PWM erogati al carico, come illustrato nel diagramma di Figura 3. Questo può tradursi in un limite di ampiezza dei segnali analogici che possono essere efficacemente convertiti in segnali PWM.
In queste condizioni, al decrescere dell'ampiezza del segnale analogico in ingresso al sistema, il segnale che raggiunge l'ingresso del quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like, può risultare così piccolo da non essere correttamente trasferibile come segnale PWM al carico collegato all' uscita del sistema.
Una delle soluzioni descritte in letteratura consiste nell’allungare la durata dell’impulso da trasferire di una quantità pari all’impulso minimo trasferibile e di sottrargli, subito dopo, una quantità pari ad un impulso minimo trasferibile, con il risultato netto di un corretto trasferimento del segnale sebbene non correttamente trasferibile tel quel . Il meccanismo adottato è graficamente illustrato in Figura 4.
Questa soluzione ha il problema di penalizzare l’efficienza dello stadio di potenza in uscita poiché viene così costretto a commutare più volte rispetto a quanto sarebbe idealmente necessario.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
La soluzione trovata all'inefficienza dei sistemi noti consiste nell’introdurre a monte del quantizzatore PWM, ovvero tra l'uscita dello stadio modulatore sigma-delta e l'ingresso dello stadio quantizzatore di modulazione PWM, o PWM-like, un secondo stadio sigma-delta di qualsiasi ordine ed architettura, con funzione di controllo della dinamica minima, ricevente in ingresso il segnale di uscita dello stadio modulatore sigma-delta sommato ad un segnale corrispondente alla differenza tra il segnale presente all'ingresso e il segnale presente all'uscita del secondo stadio sigma-delta, ritardato da un blocco di ritardo.
Il secondo stadio modulatore sigma-delta considerando le differenze tra il proprio ingresso ed un segnale proporzionale all'uscita, compensa l'errore di quantizzazione. Per la funzionalità stessa del modulatore sigma-delta la compensazione dell'errore avviene nel tempo o quanto l'errore è maggiore della risoluzione di quantizzazione o quando il segnale di ingresso è tale da generare un'uscita diversa da zero.
In altri termini, il segnale di ingresso al secondo stadio sigma-delta, definibile modulatore sigma-delta di controllo di dinamica minima, è lo stesso segnale diretto all'ingresso del quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like, mentre il segnale di reazione è la differenza tra il segnale, modificato per rispettare le larghezze minima e massima di impulso, ed il segnale che raggiungerebbe l'ingresso del quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like, senza modificazione. Il quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like è quindi pilotato dall'uscita del modulatore di controllo della dinamica minima.
L'invenzione è definita nelle annesse rivendicazioni.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La Figura 1 è uno schema di principio di un modulatore sigma-delta per applicazioni PWM.
La Figura 2 è uno schema circuitale di un modulatore PWM sigmadelta del terzo ordine con uscita ad un bit.
La Figura 3 è un diagramma che illustra certi limiti di durata (larghezza) degli impulsi in un sistema PWM.
La Figura 4 è un diagramma che illustra il meccanismo comunemente usato per ovviare a limiti di larghezza d'impulso di un sistema PWM.
La Figura 5 è una rappresentazione schematica del dispositivo circuitale della presente invenzione.
La Figura 6 mostra spettri di frequenza del segnale di uscita di un modulatore PWM sigma-delta con e senza il modulatore sigma-delta di controllo di minima dinamica aggiuntivo, per un livello di segnale analogico d'ingresso di - 80 dB.
La Figura 7 mostra spettro di frequenza del segnale di uscita di un modulatore PWM sigma-delta con il modulatore sigma-delta di controllo di minima dinamica aggiuntivo e l'assenza di segnale di uscita in caso di assenza del modulatore sigma-delta di controllo di minima dinamica aggiuntivo, per un livello di segnale analogico d'ingresso di - 90 dB.
La Figura 8 mostra una struttura circuitale a sigma-delta con stadio modulatore PWM di uscita e generatore di un segnale di dither a rampa, secondo un altro aspetto dell'invenzione.
DESCRIZIONE DI ESEMPI DI REALIZZAZIONE DELL'INVENZIONE
Con riferimento alla Figura 5, lo schema circuitale base di un modulatore PWM a sigma-delta, comprendente uno stadio di guadagno
GAIN_1, un circuito modulatore SIGMA-DELTA, ricevente ad un primo ingresso IN_1 il segnale analogico di ingresso, amplificato dallo stadio di guadagno, e ad un secondo ingresso IN_2, un segnale di retroazione, un circuito quantizzatore PWM, ricevente in ingresso il segnale di uscita del circuito modulatore SIGMA-DELTA per produrre in uscita un segnale impulsivo PWM o PWM-like a singolo bit OUT_1, ed un percorso di retroazione del segnale di uscita del quantizzatore PWM comprendente uno stadio di ritardo UNIT DELAY_1, viene, secondo l'invenzione, modificato introducendo nel percorso di segnale dall'uscita del circuito sigma-delta all'ingresso del quantizzatore PWM, il blocco circuitale, il dettaglio del quale è illustrato nella lente del disegno.
Tale blocco aggiuntivo contiene sostanzialmente un secondo circuito sigma-delta SDERRORS_CUT, ricevente in ingresso il segnale di uscita dello stadio modulatore SIGMA-DELTA sommato ad un segnale corrispondente alla differenza tra il segnale presente all'ingresso e il segnale presente all'uscita del secondo stadio sigma-delta, opportunamente ritardato da un secondo blocco UNIT DELAY_1 di ritardo.
Il secondo stadio modulatore sigma-delta SDERRORS_CUT, attraverso il quale lo stadio modulatore sigma-delta primario SIGMA-DELTA, ricevente il segnale amplificato d'ingresso, pilota il quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like, controlla la dinamica minima. Infatti, mentre un semplice quantizzatore blocca i segnali inferiori alla risoluzione minima di quantizzazione, il blocco SDERRORS_CUT, in quanto a sigma-delta, compensa efficacemente l'errore creato dal quantizzatore.
La dinamica d'ingresso del modulatore viene incrementata per l'abbassarsi del limite di ampiezza di segnale che risulta correttamente trasferibile al carico. L'aumento della dinamica d'ingresso che si ottiene supera generalmente i 20 dB.
La seguente tabella riassume i risultati ottenuti con un segnale sinusoidale d'ingresso con frequenza di 10 KHz.
Con/senza Frequenza Ampiezza Rapporto Ampiezza sinusoide di secondo sinusoide sinusoide segnale/rumore uscita
modulator
e sigmadelta di
controllo
di minima
dinamica
senza 10KHz -80dB -21.7dB -81dB
con 10kHz -80dB -24.6dB -81dB
senza 10kHz -90dB Assenza di segnale Assenza di segnale d'uscita d'uscita
con 10kHz -90dB -13.8 -91dB
senza 10kHz -100dB Assenza di segnale Assenza di segnale d'uscita d'uscita
con 10kHz -100dB -5.8dB -101dB
L'efficacia del dispositivo circuitale dell'invenzione è stata provata alimentando all'ingresso di un modulatore sigma-delta del primo ordine con uscita a singolo bit modulata PWM una sinusoide di ingresso di frequenza 10kHz ed ampiezza -80 dB, registrando lo spettro in frequenza del segnale di uscita ai capi del carico, sia con il modulatore sigma-delta di controllo di minima dinamica che senza.
La sostanziale sovrapposizione dei due spettri di frequenza, come chiaramente osservabile in Figura 6, dimostra che l'introduzione del secondo modulatore sigma-delta di controllo di minima dinamica non produce alcun apprezzabile effetto distorsivo.
Peraltro, riducendo l'ampiezza del segnale sinusoidale di ingresso a -90 dB risulta che, senza l'impiego del secondo modulatore sigma-delta di controllo di minima dinamica di ingresso dell'invenzione non si avrebbe alcun segnale in uscita, mentre introducendo il secondo modulatore sigmadelta di controllo di minima dinamica di ingresso dell'invenzione, il segnale risulta ancora perfettamente trasferito al carico come mostra la Figura 7, in cui è osservabile lo spettro di frequenza del segnale di uscita che, introducendo il secondo modulatore sigma-delta secondo l'invenzione è presente anche a tale ridotta ampiezza della sinusoide di ingresso.
Nel caso di un modulatore sigma-delta ad uscita PW, può essere importante, nel caso l'applicazione esiga una bassa figura di rumore, decorrelare il segnale di ingresso dal rumore di quantizzazione PWM del segnale di uscita.
I richiedenti hanno trovato che la comune tecnica di cosiddetta di dithering che consiste nel sommare, all'ingresso del blocco circuitale a sigma-delta del modulatore, al segnale analogico di ingresso un segnale periodico di frequenza appropriata produce prestazioni sensibilmente miglior in termini di rumorosità se il segnale periodico di dithering è una rampa.
Inoltre, è stato trovato che il beneficio maggiore si ottiene quando il segnale a rampa di dithering che viene sommato al segnale analogico di ingresso della struttura a sigma-delta con modulatore PWM di uscita, ha un'ampiezza dello stesso ordine di grandezza della massima ampiezza del segnale analogico di ingresso. In pratica il miglior rapporto segnale/rumore e la massima riduzione di fastidiose armoniche sono conseguite iniettando in ingresso un segnale di dither dalle caratteristiche sopra descritte.
Secondo questo aspetto accessorio dell'architettura dell'invenzione, almeno un circuito sigma-delta base di un circuito modulatore ad uno o più stadi sigma-delta in cascata come nel caso della Figura 1, è replicato all'interno del perimetro rettangolare superiore della Figura 8 ed è associato ad un generatore di segnale di dither a forma di rampa periodica, mostrato all'interno del perimetro rettangolare inferiore dello schema.
Nell'esempio illustrato in Figura 8, il generatore del segnale di dither è composto da un contatore COUNTER, da un latch CONSTANT in cui viene memorizzato un certo valore di riferimento, da un sommatore del valore corrente contenuto nel contatore e del valore di riferimento registrato nel latch CONSTANT e da uno stadio di guadagno di uscita del segnale periodico a rampa generato in funzione di un segnale di clock di pilotaggio del contatore e del valore di riferimento registrato nel latch.
Il circuito generatore di dither genera un segnale a rampa di ampiezza che può essere controllata mediante un qualsiasi anello di regolazione automatica comunemente utilizzati a questo scopo, modificando il valore di riferimento scritto nel latch in modo da risultare praticamente uguale o quasi uguale alla massima ampiezza del segnale analogico di ingresso al quale il segnale di dither a rampa viene sommato all'ingresso del circuito funzionale a sigma-delta contenuto nel perimetro rettangolare superiore dello schema.
La frequenza del segnale a rampa può essere mantenuta fissa e di valore prossimo o uguale a quello della frequenza del modulatore PWM oppure alternativamente può variare in maniera casuale all'interno di un intervallo di frequenze centrato sulla frequenza del modulatore PWM, variando la frequenza del segnale di clock che pilota il contatore.
La seguente tabella riassume i risultati ottenuti variando l'ampiezza del segnale a rampa di dither.
Questa forma preferita di realizzazione di un modulatore sigma-delta con uscita PWM è particolarmente indicata per realizzare amplificatori di potenza in classe -D per sistemi di riproduzione audio.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1. Modulatore sigma-delta per applicazioni PWM o PWM-like comprendente uno stadio di guadagno di ingresso, almeno uno stadio modulatore sigma-delta ricevente ad un ingresso il segnale analogico di ingresso amplificato dallo stadio di guadagno ed ad un secondo ingresso un segnale di reazione, uno stadio quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like di uscita ricevente in ingresso il segnale prodotto in uscita dallo stadio modulatore sigma-delta, un percorso di retroazione comprendente una rete di ritardo, caratterizzato dal fatto che nel percorso di segnale tra l'uscita di detto stadio modulatore sigma-delta e l'ingresso di detto stadio quantizzatore di modulazione PWM o PWM-like è presente un secondo stadio sigma-delta ricevente in ingresso detto segnale analogico amplificato di ingresso sommato ad un segnale ritardato corrispondente alla differenza tra il segnale presente all'ingresso ed il segnale presente all'uscita di detto secondo stadio sigma-delta.
- 2. Modulatore sigma-delta per applicazioni PWM o PWM-like secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi atti a sommare al segnale analogico di ingresso di detto stadio modulatore sigmadelta un segnale periodico a rampa, di frequenza uguale alla frequenza di quantizzazione PWM o variante entro un certo campo di variazione centrato sulla frequenza di quantizzazione PWM ed avente un'ampiezza uguale o dello stesso ordine di grandezza della massima ampiezza di detto segnale analogico di ingresso.
- 3. Modulatore sigma-delta per applicazione PWM o PWM-like secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi comprendono un circuito generatore del segnale periodico a rampa composto da un contatore, da un latch di memorizzazione di un certo valore di riferimento, da un sommatore del valore corrente di conteggio del contatore e di detto valore di riferimento memorizzato in detto latch ed uno stadio di guadagno di uscita del segnale periodico a rampa in funzione di un segnale di clock pilotante il contatore e del valore di riferimento memorizzato nel latch.
- 4. Metodo di decorrelazione del rumore da un segnale analogico portante informazione in un circuito modulatore a sigma-delta comprendente uno stadio di ingresso a sigma-delta ed uno stadio quantizzatore di uscita PWM o PWM-like, caratterizzato dalle operazione di: generare un segnale dither avente forma di un segnale periodico a rampa di frequenza fissa o variante entro un certo campo centrato sulla frequenza di quantizzazione PWM del segnale di uscita e ampiezza dello stesso ordine di grandezza della massima ampiezza del segnale analogico; sommare detto segnale periodico a rampa a detto segnale analogico di ingresso, all'ingresso di detto stadio sigma-delta.
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