TW201246804A - Delta-sigma ADC modulator with excess loop delay compensation - Google Patents

Description

201246804 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種三角積分調變迴路，特別是具有延遲補償 之寬頻三角積分調變器。 【先前技術】 類比數位轉換器（Analog to Digital Converter，簡稱為 ADC)之作法可以分為兩類，第一種方式稱為連續時間型 (continuous time);第二種方式稱為離散時間型（discrete time)，其中前者具有較省電之特性，也較適合寬頻的應用。 三角積分調變器（Delta-Sigma ADC modulator)是一種利 用超取樣頻率（ovresampling frequency)與雜訊移頻（n〇ise shaping )的技巧而提升類比數位轉換器的信號雜訊比 (Signal-to-NoiseRatio，簡稱為SNR)的作法。相較於其他實 現類比數位轉換器的設計，三角積分調變器因為具有在有限頻 寬的限制下達到非常高的解析度、能夠快速降低誤差，以及電 路易於實現等優點，因此非常適合被應用在高速的連續時間型 之類比數位轉換器。 請參見第一圖(a)，其係習用技術所使用的三角積分調變器 迴路之功能方塊示意圖。在高速的連續時間型三角積分調變器 迴路中，連續時間的輸入信號乂⑴將被轉換為離散時間的輸出 仏號輸出y[n]’透過三角積分調變器迴路對輸入信號的大小進 行，略的估計，然後量測其誤差，將其進行積分並進行補償， 在誤差的積分為有賊的情糾，最後如健的平均值相當 於輸入信號的平均值。 田 201246804 元圖⑻’ I用的三角積分調變器迴路包含：轉換單 &外，元1〇2、量化單元1〇3與數位類比轉換單元104。 -輪比轉換單元104所使用㈣脈相較於取樣單 間存在—個遲延的時間差⑴，因此該時 間差對於系統的影響係以迴路遲延（〇 1G6來表示。 中η見第一圖（b)’其係於習用之三角積分調變器迴路 類比所使用的類比數位轉換時脈（dkADC)，與數位 ^轉換早70所使用數位鏡轉換時脈（elW)存在時間差 -旧之Γ意圖。此圖代表將輸出信號傳送至數位類比轉換單 號產㈣間與取樣單元102所使用的類比數位 轉換時脈存在時間差τ。 簡單來說’二角積分調變器迴路存在迴路遲延的原因是： 類比數位轉換11必須在輸人錢發生__時在輸 :^步發錢變，但是在高頻的應財，每_麵比數位 的期間其實很短’相較之下，取樣單元102的切換速 g 信號之產生時點產生^差，也因此使輸出信號受到 =到額外的迴路遲延的影響，將使三角積分調變器迴路的 轡轉換，(N〇ise TransferFunction，簡稱為 NTF)受到改 如。^不歸零碼（n〇n_retUrn_t〇_Zer〇，簡稱為NRZ)的應用為 ⑽額外的迴路遲延將使雜訊轉換函式多出—個極點，也就是 使整體的轉移函式多了一個階層（〇rder)。 減ί言之㉚路遲延的存在將使系統實際上的轉換函式的係 备二初所設計的轉換函式不一致’因此，這種現象也稱為係 数不對稱（coefficientmismatch)。除了轉換函式會被改變外， 迎路遲延甚至會連帶脑點（pGle)的位置往單㈣外移動， 201246804 la成顿帶雜訊增加，以及迴路的穩定性降低等缺失。 的取伽it分調變11迴路使用了超取樣的技術，使得實際 溋证斟：r &碾咼於三角積分調變器迴路的頻寬，相較之下迴路 ' =▲積分調變器迴路的影響也更明顯，因此如何針對三 器迴路的迴路遲延加以改善便成為高速的連續時 間歪類比數位轉換器的重要課題。 …一 ^參見第一圖，其係目前習用技術利用輔助數位類比轉換 早兀 將經過數位類比轉換單元204後的信號與轉換單元 201所產生的轉換信號進行相加，藉此對迴路延冑2〇 進行補償之示意圖。 對於類比触轉㈣，評估效能方式通妓峨能評比因 子（Figure 〇f Merit，簡稱為F 〇M )來表示。效能評比因子 的公式為：F.O.M = P/(2*BW*2n)，其中p代表功耗、歸代 表可轉換之頻寬(Bandwidth)、N代表量化單元可提 數，也就是解析度。 好 當效能評比因子的值越小的時候，代表其效能越佳，因此 在頻寬與解析度為固定的條件下，功率消耗越低代表效铲

JtZ. Λ ^ 依據效能評比因子的定義而進一步探究第二圖的作法時 可以發現，第二圖的作法雖然改善了迴路延遲的現象，但也衍 生了其他缺失，即：此種作法因為使用類比形式的加'法器 (summing amplifier or adder)2051的關係，將使三角積分調^ 器產生靜態功率消耗，進而使三角積分調變器的效能評比 低。 根據上述說明可以發現，目前習用技術對於時間延遲的改 善手段仍有缺失而需更進一步的改善。 201246804 【發明内容】 本發明之-方©係為—種三角積分調變迴路，應用於將< 連、”貝時間之輸入4號轉換為一離散時間之一輸出信號，該三 =分調變迴路包含：—轉換單元，透過—轉換函式對一誤差 行轉換而產生—轉換信號；—取樣單元，其係對該轉換 1進订取樣而得出—取樣信號；—量化單元，其係、對該取樣 寻該輸出信號;一補償單元，接收該輸出信號 並對該輸Μ叙-時間延遲進行補償而產生—補償信號；以 ，了數位類轉換單S，信賊接於賴償單元與轉換單元， 其係對該補償信號進行轉換而得一回授信號。 、巧據上述構想’本發明所述之三角積分㈣迴路，其中該 應之一補償轉換函式係根據該時間延遲與-近 補γΪ據ΐί構本，所述之三角積分調變迴路，其中該 貝兀匕έ吊數運算元與一取樣時間延遲運算元。 根據上述構想，本發明所述之三角積分調變迴路 數運算元與該取樣時間延遲運算元而得 根與Γ遲運算輸出信號’且該補償信號係 根據該*數運讀出錢與該延遲運算輸出信號而得。 根據上述構想，本發明所述之三角積分調變迴路， 誤差彳S號係根據該輸入信號與該回授信號而得。 -連方面係為一種三角積分調變迴路，應用於將 為一離散時間之-輸出信號，該 積刀魏迴路包含：—轉換單元，透過—轉換函 入㈣進行轉換而產生—轉換信號；—取樣單元，動態的= 201246804 =轉換單元，其係根據該轉換信號而得出一取樣信號；一量 :兀，仏號連接於該取樣單元，其係對該取樣信號進行量化 二輪出信號；一第一數位類比轉換單元，信號連接於該輸 仏號]以及一補償單元，信號連接於輸出信號與該輸入信 ,，其係提供該輸出信號一延遲補償功能。 …片，據上述構想，本發明所述之三角積分調變迴路，其中該 補4員單元所對應之-補償轉換函式係根據該時間延遲與一近 似公式而得出。 據上述構想，本發明所述之三角積分調變迴路，其中該 補Ί員單元與該第-數位類tb單元仙—平行架構設置於該輸 出信號與該輸入信號間。 根據上述構想，本發明所述之三角積分調變迴路，其中該 補償單元包含：一第二數位類比轉換單元與一取樣時間延運 算元。 根據上述構想，本發明所述之三角積分調變迴路，其中流 經該第-數位類比轉換單元之—第__電流值係為流經該第二 數位類比轉換單元之一第二電流值之倍數。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。 【實施方式】 由於二角積分調變器的轉移函式來看p^S)經過非理相效 應的延遲而產生迴路遲延（〇,因此本發明提出在轉^函式 中乘上一個用來補償迴路遲延的作法，也就是利用提供等效於 eST的功能方塊來消除非迴路遲延的現象，進而使純的轉換函 式回復為H(s)。在本發明中，分別利用第三圖⑷(的與第四圖 201246804 (a)(b)說明如何利用數位或類比的方式實現補償單元，藉以提 供等效於eST的功能方塊，藉由補償單元所提供的補償轉換函 式來改善迴路延遲’並避免對三角積分調變迴路的效能評比因 子造成負面的影響。 請參見第三圖(a)，其係本發明所提出對三角積分調變器迴 路之迴路延遲進行補償之第一種較佳實施例之示意圖。為°了便 於後續的說明，此三角積分調變器迴路可被區分為上半部的主 要路徑與下半部的回授路徑，其中主要路徑的信號處理流向為 由左至右，也就是將信號連接的輸入信號經過處理後產生輸出 信號；另一方面，回授路徑的信號處理流向則為由右至左，也 就是將信號連接的輸入信號經過回授路徑上的各單元後，產生 相連於輸入信號的回授信號。 主要路徑包含：轉換單元301、取樣單元302與量化單元 303。其中轉換單元301用來提供轉換函式，對誤差信號進行 轉換而產生轉換信號；而取樣單元302則是對轉換信號進行取 樣而得出取樣信號；量化單元303是用來對取樣信號進行量化 而得出輸出信號。 此外，回授路徑則包含.數位類比轉換單元304與補償單 元307,需注意的是，由於迴路遲延3〇6是系統本身存在的現 象而非實體電路，因此第三圖(a)係以虛線來表示。簡單來說， 在數位類比轉換單元304與輸出信號間，利用補償單元3〇7來 改善迴路遲延的影響，此處的補償電路可以利用泰勒展開式的 作法得出對應的轉換函式，並利用數位的方式來實現。 數位類比轉換單元304將經過補償後的輸出信號由數位 格式轉換為類比格式，並將轉換為類比格式後的輸出信號透過 加法器而與輸入“號相減並得出誤差信號後，最後再將相減後 201246804 的結果作為轉換單元的輸入 與回授信號而得。 亦即’誤差信號係根據輸入信號· 八二二圖(b) ’其係本發明利用數位方式補償三角積 刀调心迴，，迴路延遲之第—種較佳實施例之示意圖。 早70 307需要針對時間延遲的補償而提供β的 補ί轉換函式，在離散的時域中，外Ζ·。5，而#可以用近似 ^式的方式來得出，例如：_麵展開式（γ=1+δτ)得出 、、近似值。基於應用上的便雜，此處假設時間延個 週期’也就衫編e〜1+㈣.5_ζ.〇.5，其中包含了常數運算 =(1.5)與取樣時間延遲運算元（…）。戶斤以在補償單元3〇7 實現适個轉換函式後’再透過數_比轉換單元進行迴授。換 1之’本發明的補償單元307係可以1.5-Z-05的轉換函式來補 償發生在數位類比轉換單元3 G 4的時脈與取樣單元3 G 2的時 間的0.5個週期的延遲。 承上’二角積分調變器的輸出信號經常數運算元與取樣時 =延遲運算元後’分別得^常數運算輸出信號與延遲運算輸出 «’兩者再透過加法H而得出補償信號。也就是說補償作 號係根據常數運算元所輸出的常數運算輸出信號，以及取樣^ 間延遲運算元所輸出的延遲運算輸出信號而得出。 需注意的是，補償單元307所對應的補償轉換函式可以根 據應用的不同考量而加以調整，除了對不同的時間延遲的值以 類似的方式來推得不同的補償轉換函式外，補償轉換函式所使 用的常數也可以根據需要而調整。舉例來說，在邏輯電路的實 現時’補償單元307裡的常數如果改為2時，補償單元3〇7的 電路較1.5容易設計，因此可以將補償單元307的所提供的轉 換函式（l.5-z·05)改為利用2-Z·0·5來實現。 201246804 請參見第四_，其係本發明所提 路之迴路延遲進行補償之第二 τ—角積刀調支_ 要路徑與回授路徑等用語因為與前^^圖。關於主 似，此處便不再贅述。 ^21第—較佳實施例相頬 將第四圖⑻與第三圖⑷相較時可以 的補償單元期除了以串接於第中 出信號間的方式存在外，亦可 轉換早兀305與輪 ，，補償單元駕與第一數： 信號間。也就是將第-數位類 早兀308均同時連接於輪出信號、輸入4 :=路之迴路延遲之第二種較佳實施例之示意圖。2 函式係根據時間延遲與近似公式:二 時間=運算元（Z，309係以1/2的週期延遲為例。樣 笛一㈣四剛巾，假設流經第—數位類比轉換單元3〇5之 值;11雪=第二數位類比轉換單元310之第二電流 ，為12則第一電流值η為第二電流值12之倍數，例如：工卜 1.5x12 〇 需注t的是’為了獨立說明補償單元通所提供的轉換函 ^ 此圖利用一個加法器的圖示來標示第一數位類 U單几305與補償單元307之間的信號的加總，藉以強調 補^元307與第一數位類比轉換單元305之間係平行架構的 弋"又置於回授路徑上，並利用另一個加法器來加總回授路徑 201246804 與主要路控之信號，但在實際應用時，這兩個加法器可以被合 併為同一個。 常見的補償三角積分調變器系統為2〜5階的系統，但是類 似的作法可以被應用至不同階數的補償三角積分調變器系 統。而上述功能方塊可利用硬體、軟體或是軟體與硬體搭配之 方式來實現，例如使用特殊應用積體電路晶片或是對DSP進 行程式化來完成。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發^，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範園 内，虽可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後 附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 本案得藉由下列圖式及說明，俾得更深人之了解： 第圖(a)，其係習用技術所使用的三角積分調變器迴路 之功能方塊示意圖。 一第-_)’其係於f用之三角積分調變器迴路中，取 =讀使用_比數位轉料脈，與數輔_換單 用 位類比轉換時脈存在時間差之示意圖。 經過比其^前Λ用f奸利用輔助數位類比轉換單元將 號，換信 器迴路：)延遲 ⑧ 11 201246804 第四圖（a)，其係本發明所提出對三角積分調變器迴路之 迴路延遲進行補償之第二種較佳實施例之示意圖。 第四圖（b)，其係本發明利用類比方式補償三角.積分調變.. 器迴路之迴路延遲之第二種較佳實施例之示意圖。 【主要元件符號說明】 本案圖式中所包含之各元件列示如下： 轉換單元101、201、301 取樣單元102、202、302 量化單元103、203、303 數位類比轉換單元104、204、304 迴路遲延106、206、306 加法器2051 輔助數位類比轉換單元2052 補償單元307、308 第一數位類比轉換單元305 第二數位類比轉換單元310 取樣時間延遲運算元309 13

Claims (1)

1. 201246804 七、_請專利範圚： 一種. 為-離敢較； 號進行轉換 而連在換早疋’透過—轉換函式對一誤差信 而產生一轉換信號，· 樣信號；取樣早〜錢__錢騎轉而得出一取 信號；1化單元，其係對該取樣信親行量化而得該輸出 門延樨谁-2單70’接收該輸出信號並對該輸出信號之一時 間延遲進仃補償而產生一補償信號；以及 f 單-魏ΐ位類比轉鮮元’信輯接於該婦單元與轉換 早疋’其係對該補償信號進行轉換而得一回授信號。、、 圍第1销狀三_分霞迴路，其 應之-補償轉換函式係根據該時間延遲與 中咖第1項所述之三㈣分婦迴路，其 中補该早疋包含—常數運算元與—取樣時間延遲運算元。 ^如申請專利範圍第3項所述之三角積分調變迴路，豆 中該輸出信號分別經該常數運算元與該取樣時間延遲運算元 而得-常數運算輸出信號與_延遲運算輸出信號，且該補償信 201246804 號係根據該常數運算輸出信號與該延遲運算輸出信號而得。 5.如申請專利範圍·第]項所述之 ，立 中該誤差信號係根據該輸入信號與該回授信號而得。、” -種三角積分調變迴路，應用於將__連續時u 2號轉換為一離散時間之一輸出信號，該三角積分調變迴路 _轉換單元，透過—轉換函式對該輸人信號進行轉換 而產生一轉換信號； —喊單元’祕的連接於該娜單元，其係根據該 轉換信號而得出一取樣信號； -量化單元，信號連接於該取樣單元，其係對該取樣 信號進行量化而得該輸出信號； 及 一補償單元，信號連接於該輪出信號與該輸入信號， 其係提供該輸出信號一延遲補償功能。 ° 7. 、如申請專利範圍第6項所述之三角積分調變迴路，其 中該補償單元所對應之-補償轉換函式係根據該時間延遲與 一近似公式而得出。 ” 8. 如帽專利範圍第6項所述之三缝分轉迴路，其 中該補償單元與該第一數位類比單元係以一平行 & 該輸出信號與該輸入信號間。 又置、 -第-數位類轉換單元，錢連接於輸出信號；以 15 201246804 9. 如申請專利範圍第6項所述之三角積分調變迴路，其 申該補償單元包含：一第二數位類比轉換單元與一取樣時間延 遲運算元。 10. 如申請專利範圍第6項所述之三角積分調變迴路，其 中流經該第一數位類比轉換單元之一第一電流值係為流經該 第二數位類比轉換單元之一第二電流值之倍數。 八、圖式： 16 ⑤