TWI437826B - 共享之交換電容式積分器及三角積分調變器及其運作方法 - Google Patents

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共享之交換電容式積分器及三角積分調變器及其運作方法
本發明是有關於一種交換電容式積分器及其方法，且特別是有關於一種共享之交換電容式積分器及其方法以及使用上述之三角積分調變器。
三角積分調變(sigma-delta modulation)，廣泛應用在各種電子元件之中，例如：類比數位轉換器、交換電容式濾波器、頻率合成器，以至於無線通訊系統中。習知的三角積分調變器以其需要的積分次數(n)而言，定義為n階三角積分調變器，n為正整數。如第1圖所示之二階三角積分類比數位轉換器，對訊號x(t)以取樣頻率fs 進行取樣後所得的xi 進行三角積分調變以得到yi ，其中進行兩次積分運算，使用兩個積分器。
由於三角積分調變具有雜訊整形(noise shaping)之特性，越高階的其雜訊整形之效果越好。由於n階的三角積分調變器需要n個積分器來實現，使用二階或以上的高階三角積分調變器的裝置如類比數位轉換器或濾波器，會因此而大大增加功率的消耗及電路面積。
本發明之實施例係有關於一種共享之交換電容式積分器及其方法以及應用電路。在一實施例中，一共享之交換電容式積分器能利用共享一個運算放大器之方式而達到兩次積分的結果。如此，利用此共享之交換電容式積分器，使得二階的三角積分調變只需要上述之一個共享之交換電容式積分器就能實現。在其他實施例中，n階的三角積分調變器，只需要使用n/2或(n+1)/2個積分器就能實現。如此，電子系統能得以較低的消耗功率來使用高階的三角積分調變器如類比數位轉換器，並能節省硬體面積。
根據本發明之一方面，提出一種使用共享之交換電容式積分器之裝置，其包括一交換電容式積分器。此交換電容式積分器包括一第一交換電容電路、一第二交換電容電路、一回授電容裝置以及一運算放大器。第一交換電容電路具有一輸入端及一輸出端。第二交換電容電路具有一輸入端及一輸出端。回授電容裝置，選擇性具有一第一電容值及一第二容值之一。運算放大器之一輸入端耦接到第一交換電容電路之輸出端及第二交換電容電路之輸出端，運算放大器之一輸出端耦接到第二交換電容電路之輸入端。回授電容裝置耦接於運算放大器之此輸入端及輸出端之間。
根據本發明之另一方面，上述提出之使用交換電容式積分器之裝置為一三角積分類比數位轉換器，三角積分類比數位轉換器更包括：一量化器及一數位轉類比轉換器。量化器具有一輸入端及一輸出端，其中輸入端耦接運算放大器之輸出端。數位轉類比轉換器，耦接於量化器之輸出端及交換電容式積分器之運算放大器之輸入端之間。
根據本發明之再一方面，提出一種使用共享之積分器之裝置的運作方法，積分器包括一放大器，此方法包括以下步驟。(a)於一第一相位時間，對一第一訊號進行取樣，並同時藉由使用此放大器以進行一第一積分運算。(b)於一第二相位時間，藉由使用此放大器以進行一第二積分運算，並同時對第二積分運算的結果取樣。
根據本發明之又一方面，提出一種使用共享之交換電容式積分器之裝置，包括一交換電容式積分器。交換電容式積分器包括一第一交換電容電路、一第二交換電容電路、一回授電容裝置以及一放大器。回授電容裝置選擇性具有複數個預定電容值之一。回授電容裝置耦接於放大器之一輸入端及一輸出端之間，放大器耦接於第一交換電容電路之一輸出端及第二交換電容電路之一輸入端之間。於一第一相位時間，第一交換電容電路對一第一訊號進行取樣，並同時放大器及回授電容裝置進行一第一積分運算。於一第二相位時間，放大器及回授電容裝置進行一第二積分運算，並同時第二交換電容電路對第二積分運算的結果取樣。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第2圖，依據本發明之一實施例的共享之交換電容式積分器(以下簡稱共享式積分器)的電路圖。共享式積分器200包括一第一交換電容電路(switched capacitor circuit)210、一第二交換電容電路220、一放大器230及一回授電容裝置240。為簡化標示方式，在第2圖及其他圖式中之開關旁邊之標示(如P1或P2)係代表此開關由控制訊號P1或P2所控制。控制訊號P1和P2是為兩個非重疊的時脈，如第3圖所示者。
在第2圖中，第一及第二交換電容電路210及220交互地共用放大器230以達成兩次積分運算。第一及第二交換電容電路210及220分別包括各自的電容C1及C3，並各自包括4個由控制訊號P1及P2控制的開關，作為取樣或傳輸之用。放大器230如運算放大器，具有一反相輸入端(以IN代表)、一非反相輸入端及一輸出端OUT。第一交換電容電路210之一輸入端接收輸入訊號Ain且一輸出端耦接至放大器230之反相輸入端IN。第二交換電容電路220之一輸入端及一輸出端則分別耦接於放大器230之輸出端OUT與反相輸入端IN之間。回授電容裝置240，用以作為積分器中的回授電容，耦接於放大器230之反相輸入端IN與輸出端OUT之間。回授電容裝置240包括電容C2及C4，並依據控制訊號P1及P2於不同相位時，藉由開關(或其他選擇元件如多工器)作用下，使回授電容裝置240的電容值在電容C2及C4之兩電容值之間切換。如此，因應兩次積分運算時，第一及第二交換電容電路210及220交互地與回授電容裝置240及放大器230形成兩個不同的積分運算的迴路。
第2圖之共享式積分器200能利用共享放大器230而達到兩次積分的結果。請參照第3圖之控制第2圖之共享式積分器之時序圖，以說明依據本發明一實施例之共享式積分器200之運作方法。此方法對輸入訊號Ain及放大器230之輸出端OUT之輸出訊號(以下簡記為Ao)進行取樣、積分之動作。
如第3圖所示，於一第一相位時間(或一時間間隔)，如控制訊號P1致能時，同時對輸入訊號Ain取樣以及對輸出訊號Ao的取樣值作積分運算，其中可假設初始時電路被重置，輸出訊號Ao為0V。由於控制訊號P2此時為禁能，故如第4A圖所示，第一交換電容電路210對輸入訊號Ain取樣。在此同時，第二交換電容電路220將儲存於電容C3的輸出訊號Ao的取樣值傳回放大器230之反相輸入端IN，故第二交換電容電路220、等效於電容C4的回授電容裝置240及放大器230形成一積分迴路(或稱為第二積分迴路)。
接著，於一第二相位時間(或另一時間間隔)，如控制訊號P2致能時，同時對輸入訊號Ain的取樣值積分以及對此時的輸出訊號Ao取樣。由於控制訊號P1此時為禁能，故如第4B圖所示，第一交換電容電路210、等效於電容C2之回授電容裝置240及放大器230形成一積分迴路(或稱為第一積分迴路)。在此同時，第二交換電容電路220對積輸出訊號Ao(即第一積分迴路的積分結果)取樣。
如此，於下一第一相位時間，即控制訊號P1又致能時，同時對輸入訊號Ain取樣以及對輸出訊號Ao的取樣值作積分運算。如此，即第二積分迴路對上一次第一積分迴路的積分結果再作一次積分運算。換句話說，即在此次第一相位時間，將上述第二相位時間之積分結果之取樣回授到放大器230中以進行積分。故此，當此次控制訊號P1致能的週期結束時的輸出訊號Ao即是第二次積分運算的結果。由此可見，第2圖的共享式積分器200，可以使用一放大器便能達成二次積分運算的功能。
依據上述實施例，可推廣至多次積分的運算的積分器，例如三次的積分運算，只需要在第2圖之共享式積分器200之第二交換電容電路220之輸出端再串接至一交換電容式積分器即可。至於四次以至於2k次積分運算，只要將k個()共享式積分器200串接即可實現。由此，n次積分運算時只需要(n+1)/2或n/2個運算放大器即可實現。
此外，實現2k次積分運算時，可依第3圖所示的方式，藉由控制訊號P1及P2，控制每個串接的共享式積分器200。當控制訊號P1致能時，同時對輸入訊號Ain或前一個共享式積分器的輸出訊號取樣以及對共享式積分器的輸出訊號Ao(或稱為偶數之積分迴路之結果)的取樣值作積分運算。當控制訊號P2致能時，同時對輸入訊號Ain的取樣值積分以及對此時的輸出訊號Ao(或稱為奇數之積分迴路之結果)取樣。
藉由共享式積分器200，習知之第1圖之二階三角積分類比數位轉換器之架構可改變為如第5圖之方塊圖。二階三角積分類比數位轉換器500包括一共享式積分器510、一量化器520及一數位類比轉換器(D/A)530。在第5圖中，共享式積分器510接收輸入訊號x(t)並輸出二次積分的結果(即控制訊號P1致能的週期結束時的輸出訊號Ao)至量化器520以得到量化的訊號yi ，又量化的訊號yi 經數位類比轉換器(D/A)530轉換所得之回授訊號回授到共享式積分器510之中。參照第1圖之原理，在每次積分之前必須求得來自上一級的結果如xi 或第一次積分的結果與此回授訊號的差值以進行積分，故此若以共享式積分器200為例，回授訊號可以回授到放大器230之反相輸入端IN，而放大器230的輸出端則可以耦接到量化器520。
第6圖繪示依據本發明之一實施例的全差動的二階三角積分類比數位轉換器之方塊圖。二階三角積分類比數位轉換器包括一差動的共享式積分器610、一比較器620、複數個迴授增益控制電路630。差動的共享式積分器610與第2圖之不同之處在於採用差動組態的運算放大器611，以將輸入訊號Vin經取樣後依上述第3圖實施例相似的方式作二次積分並輸出結果。比較器620係用作1位元之量化器，比較運算放大器611之兩輸出訊號Ao1及Ao2，例如，若Ao1大於Ao2，則輸出訊號DOUT 代表1(如一電壓值VCC )，否則，則輸出訊號DOUT 代表0(如一電壓值0)。複數個迴授增益控制電路630是用以依據比較器620的輸出訊號DOUT 產生回授訊號，即為了實現迴授增益控制的傳輸函數(transfer function)的電路。故此，迴授增益控制電路630耦接於比較器620之輸出端及運算放大器611之輸入端之間，以使得來自上一級的結果如Vin的取樣值或第一次積分的結果與此回授訊號相減後以進行積分運算。在第6圖中，迴授增益控制電路630例如藉由控制訊號P1及P2控制之開關與運算放大器611之輸入端耦接。此領域中的通常知識者皆可依三角積分數位類比轉換的原理，設計上述迴授增益控制電路630及比較器620之實現方式，或改以2位元或4位元之量化器以實作，故並不以上述例子為限。
相似於前述n次積分運算可基於多個共享式積分器200實現，第5圖及第6圖之二階三角積分數位類比轉換器更可推廣至n階。由此，n階三角積分數位類比轉換器只需要(n+1)/2(當n為奇數時)或n/2(當n為偶數時)個運算放大器即可實現。依據n階三角積分數位類比轉換的原理，3階、4階以及更高階之電路的運作方法以及回授訊號的回授方式皆可上述第2至6圖實施例的說明以推得。例如，在一實施例中，串接複數個如第5圖之二階三角積分數位類比轉換器500以達到高階的應用時，其中兩相鄰轉換器500之一者的運算放大器之輸出，經過與回授訊號相減之差值成為另一者的輸入訊號。
值得注意的是，上述實施例之共享式積分器200或全差動共享式積分器610並非用以限定本發明之實施方式，此領域中通常知識者當可使用其他等效的交換電容電路(如含有多個電容的交換電容電路)或以其他積分器之組態(如增加交換電容放大器的輸入及輸出之間或增減放大器兩輸入端的耦接元件)以形成第一及第二積分迴路。
故此，在其他實施例中，能因應兩次運算需求，讓電路交互地藉由一放大器在不同時間(如不同相位時間)形成兩個運算迴路並進而作出兩次運算之電路，以及其推演之應用如三角積分調變器(sigma delta modulator)、類比數位轉換器或交換電容式濾波器(switched-capacitor filter)及其他如利用多次積分或三角積分調變的通訊電路，皆為依據本發明所能實現及涵蓋之實施例。例如第7圖所示之共享式積分器700，同樣使用一運算放大器(OP)，但其中的交換電容電路改以其他等效之電路實現。又例如在交換電容式濾波器之應用中，除了上述實施例中的交換電容以外，可增加其他電路元件，以達成濾波器欲達成之轉換函數(transfer function)。
本發明上述實施例所揭露之共享之交換電容式積分器及其方法，在實現n次的積分運算時能以(n+1)/2(當n為奇數時)或n/2(當n為偶數時)個運算放大器即可實現。由此，在一些實施例中，其應用電路如三角積分類比數位轉換器，在實現n階時能以(n+1)/2(當n為奇數時)或n/2(當n為偶數時)個運算放大器即可實現。如此，有關應用之電路可節省運算放大器的使用數量卻能達到高階的應用，並能節省整體功率消耗及電路面積。如以二階三角積分類比數位轉換器為例，在一模擬結果中利用兩個運算放大器之第1圖之習知架構，其電路的消耗功率為2.477mW；若以採用一共享式積分器如第5圖之實施例之架構，其電路的消耗功率為1.489mW，即能節省約40%的功率，當然本案實施例並不以此為限。
綜上所述，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明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。
200、510．．．共享之交換電容式積分器
210、220．．．交換電容電路
230．．．放大器
240．．．回授電容裝置
520．．．量化器
530．．．數位類比轉換器
610．．．差動之共享之交換電容式積分器
611．．．差動放大器
620．．．比較器
630．．．迴授增益控制電路
P1、P2．．．控制訊號
C1-C4．．．電容
第1圖為習知的二階三角積分類比數位轉換器的示意圖。
第2圖繪示依據本發明之一實施例的共享之交換電容式積分器的電路圖。
第3圖繪示控制第2圖之共享之交換電容式積分器之時序圖，以說明依據本發明一實施例之方法。
第4A及4B圖分別繪示第2圖之積分器在第一時脈及第二時脈為致能時之等效電路。
第5圖繪示依據本發明之一實施例的二階三角積分類比數位轉換器之方塊圖，其中共享之交換電容式積分器係用作進行兩次積分運算。
第6圖繪示依據本發明之一實施例的全差動的二階三角積分類比數位轉換器之方塊圖。
第7圖繪示依據本發明之實施例的共享之交換電容式積分器的電路圖之其他例子。
200．．．共享之交換電容式積分器
210、220．．．交換電容電路
230．．．放大器
240．．．回授電容裝置

Claims (14)

  1. 一種使用共享之交換電容式積分器之裝置，包括：一交換電容式積分器，包括：一第一交換電容電路，具有一輸入端及一輸出端；一第二交換電容電路，具有一輸入端及一輸出端；一回授電容裝置，選擇性具有一第一電容值及一第二電容值之一；以及一運算放大器，其中該運算放大器之一輸入端耦接到該第一交換電容電路之該輸出端及該第二交換電容電路之該輸出端，該運算放大器之一輸出端耦接到該第二交換電容電路之該輸入端，該回授電容裝置耦接於該運算放大器之該輸入端及該輸出端之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一交換電容電路包括：複數個開關元件；以及一第一電容，該第一電容與該些開關元件耦接用以選擇性地於一第一時間間隔從該第一交換電容電路之該輸入端進行取樣以及於一第二時間間隔從該第一交換電容電路之該輸出端將取樣輸出。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該第二交換電容電路包括：複數個開關元件；以及一第二電容，該第二電容與該第二交換電容電路之該些開關元件耦接用以選擇性地於該第二時間間隔從該第二交換電容電路進行取樣以及於該第一時間間隔從該第 二交換電容電路之該輸出端將取樣輸出。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該回授電容裝置，包括一第一電容、一第二電容，及複數個開關元件，其中該第一電容及該第二電容與該些開關元件耦接以選擇性地使該回授電容裝置具有該第一電容值及該第二電容值之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中於一第一時間間隔，該第二交換電容電路、該回授電容裝置及該運算放大器形成一第一積分運算迴路。
  6. 一種使用共享之積分器之裝置的運作方法，該積分器包括一放大器，該方法包括步驟：(a)於一第一相位時間，對一第一訊號進行取樣，並同時藉由使用該放大器以進行一第一積分運算；以及(b)於一第二相位時間，藉由使用該放大器以進行一第二積分運算，並同時對該第二積分運算的結果取樣。
  7. 如申請專利範圍第6項之運作方法，其中更包括：於下一第一相位時間，重覆該步驟(a)，並同時將上次該步驟(b)中對該第二積分運算的結果之取樣回授到該放大器中以進行本次之該第一積分運算。
  8. 如申請專利範圍第7項之運作方法，其中該第一積分運算係對一儲存之取樣進行積分，該第二積分運算係對該第一訊號之取樣進行積分。
  9. 如申請專利範圍第7項之運作方法，其中該步驟(a)及(b)中，同時回授一回授訊號到該放大器中以進行三角積分調變。
  10. 一種使用共享之交換電容式積分器之裝置，包括：一交換電容式積分器，包括：一第一交換電容電路；一第二交換電容電路；一回授電容裝置，選擇性具有複數個預定電容值之一；以及一放大器，其中該回授電容裝置耦接於該放大器之一輸入端及一輸出端之間，該放大器耦接於該第一交換電容電路之一輸出端及該第二交換電容電路之一輸入端之間；其中於一第一相位時間，該第一交換電容電路對一第一訊號進行取樣，並同時該放大器及該回授電容裝置進行一第一積分運算；以及於一第二相位時間，該放大器及該回授電容裝置進行一第二積分運算，並同時該第二交換電容電路對該第二積分運算的結果取樣。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該放大器之該輸入端耦接到該第二交換電容電路之一輸出端。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該第一積分運算針對該第二交換電容電路之一儲存之取樣進行積分，該第二積分運算針對該第一訊號之取樣進行積分。
  13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中於該第一相位時間及該二相位時間，該回授電容裝置分別具有該些預定電容值之一第一電容值及一第二電容值。
  14. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該放大器之該輸入端更耦接至一回授訊號，該使用共享之交換電容式積分器之裝置是為一三角積分調變裝置。
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