TWI495270B - 混合式數位類比轉換器與其方法 - Google Patents

混合式數位類比轉換器與其方法 Download PDF

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Description

混合式數位類比轉換器與其方法
本揭露是有關於一種混合式數位類比轉換器與其方法。
數位類比轉換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)在現今電子系統/通訊系統中扮演重要角色，DAC的好壞大大地影響到電子系統/通訊系統的整體表現。
DAC要處理電壓擺幅較大數位信號，但也得要處理小信號。然而，以現今常用DAC而言，在處理大擺幅數位信號時，必須考慮「非線性失真」的問題；在處理小信號時，則必須考慮「功率消耗」及「電路面積」的問題。
故而，本揭露提出一種混合式數位類比轉換器，其能兼顧上述的議題。
本揭露實施例係有關於一種混合式數位類比轉換器與其方法。於處理大信號時，主要由適合處理大信號的切換電容式(switch capacitance)數位類比轉換器來處理。於處理小信號時，主要由適合處理小信號的電流導引式(current steering)數位類比轉換器來處理。
根據本揭露之一示範性實施例，提出一種混合式數位類比轉換器，包括：一資料處理器，將一輸入數位信號處理為一第一數位信號及/或一第二數位信號，其中，該第一數位信號與該第二數位信號分別有關於該輸入數位信號之一高位元部份與一低位元部份；至少一第一類型數位類 比轉換器，耦接至該資料處理器，如果該資料處理器輸出該第一數位信號給該第一類型數位類比轉換器的話，該第一類型數位類比轉換器轉換該資料處理器所產生的該第一數位信號；至少一第二類型數位類比轉換器，耦接至該資料處理器，用以接收並轉換該資料處理器所產生的該第二數位信號；以及一輸出電路，耦接至該第一類型與該第二類型數位類比轉換器，接收該第一類型與該第二類型數位類比轉換器之輸出信號以輸出一輸出類比信號。
根據本揭露之另一示範性實施例，提出一種混合式數位類比轉換方法。(a)將一輸入數位信號處理為一第一數位信號及/或一第二數位信號，其中，該第一數位信號與該第二數位信號分別有關於該輸入數位信號之一高位元部份與一低位元部份。(b)對該第一數位信號進行一第一類型數位類比轉換，如果步驟(a)得到該第一數位信號的話。(c)對該第二數位信號進行一第二類型數位類比轉換。(d)接收該第一類型與該第二類型數位類比轉換之輸出信號以輸出一輸出類比信號。
為了對本案之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本揭露實施例所提出的混合式數位類比轉換器包括多種不同類型的數位類比轉換器，比如但不受限於電流導引式(current steering)數位類比轉換器與切換電容式(switch capacitance)數位類比轉換器。於處理大數位信號時，利用切換電容式數位類比轉換器來處理大信號，如此 可以達到高線性度的優點。於處理小數位信號時，則以電流導引式數位類比轉換器來處理小信號，如此所需要的電流源電晶體數量降低，使得面積與功率消耗都會降低。
現請參考第1圖，其顯示根據本揭露實施例之混合式數位類比轉換器100之方塊示意圖。如第1圖所示，混合式數位類比轉換器100包括：資料處理器110、電流導引式數位類比轉換器120、切換電容式數位類比轉換器130、運算放大器OP、多個電阻RF 與多個電容CF 。VCM 為共模電壓，Vo+與Vo-則為數位類比轉換器的輸出。運算放大器OP、多個電阻RF 與多個電容CF 亦可稱為輸出電路。電流導引式數位類比轉換器120包括多個切換電流單元121；而切換電容式數位類比轉換器130包括多個切換電容單元131。
於第1圖中，混合式數位類比轉換器100是以全差動混合式數位類比轉換器為例做說明，但當知本案並不受限於此。本案其他可能實施例之混合式數位類比轉換器亦可以單端(single end)混合式數位類比轉換器來實現。本領域具有通常知識者可由本案說明書內容及其精神而推導出該如何將混合式數位類比轉換器以單端混合式數位類比轉換器來實現之，此皆在本案精神範圍內。
資料處理器110用以將輸入數位信號IN處理成高位元群組M與低位元群組N。信號Mb與Nb分別是高位元群組M與低位元群組N的反相位元。資料處理器110如何將輸入數位信號IN處理成高位元群組M與低位元群組N將於底下描述之。為方便稱呼，位元群組M與Mb皆稱 為高位元群組，而位元群組N與Nb皆稱為低位元群組。
電流導引式數位類比轉換器120將由資料處理器所傳來的低位元群組N與Nb進行數位類比轉換。一般而言，電流導引式數位類比轉換器在處理電壓擺幅較大的信號時，由於電阻對電壓靈敏度較高，所以電流導引式數位類比轉換器的電阻值易隨電壓變化而改變，進而造成較大的非線性失真。另外，在高訊噪比(測量訊噪比是在小信號模式下測量)的應用下，電流源要佔據大量電路面積，以降低電流源不匹配效應及降低閃爍雜訊(Flicker noise)。電流導引式數位類比轉換器120的電路頻寬為1/[2 π(1/RF ＊ CF )]。
切換電容式數位類比轉換器130在處理大信號時，由於其內部電容對電壓的靈敏度較低，故線性度會比較好。但在高訊噪比的應用下，切換電容式數位類比轉換器130的電路面積成本仍大。這是因為熱雜訊(KT/C noise)與切換電容式數位類比轉換器130的內部電容CS 大小有關，所以電容CS 的面積必須變大以降低熱雜訊。而且，電容CF 的面積與電容CS 之間有倍數關係且電容CF 遠大於電容CS ，所以電容CF 面積會非常大，故而，整體面積會很大。另外，切換電容式數位類比轉換器130的頻寬為k＊ (CS /CF )＊ FS (k為常數，FS 為取樣頻率)。
故而，於本揭露實施例中，在處理大信號時，主要由切換電容式數位類比轉換器130來處理大信號。這是因為，切換電容式數位類比轉換器130的電容對電壓靈敏度較低，如此以達到高線性度的需求。於本揭露實施例中， 在處理小信號時(比如，在小信號模式下測量訊噪比)，主要以電流導引式數位類比轉換器120來處理小信號。這是因為，一般而言，小信號的變化量較小，電流源的電晶體數量很少，面積也較小。
電容CF 則是可當成低通濾波器或其一部份，其跨接於運算放大器OP的輸入端與輸出端之間。
現將說明本揭露實施例之資料處理器110之架構與其操作原則。請參考第2圖，其顯示本揭露實施例之資料處理器110之功能方塊圖。第2圖顯示之資料處理器110比如是應用於過取樣(oversampling)的系統，但當知本案並不受限於此。本揭露實施例之資料處理器110包括：二進位至熱碼解碼器(binary to thermometer decoder)210、積分三角調變器(sigma-delta modulator,SDM)220，及資料權重平均(Data Weighted Averaging(DWA))單元230與240。
在此以輸入數位信號IN為24位元的2進制數位資料為例做說明。首先，資料處理器將24位元的輸入數位信號分割為2部份，一部份為6位元(其為高位元)的數位信號U，另一部份為18位元(其為低位元)的數位信號L。當知，本案實施例並不受限於此，本案亦可處理其他位元數的輸入數位信號，且輸入數位信號可有其他可能分割方式。
6位元的數位信號U被二進位至熱碼解碼器210解碼為熱碼(thermometer code)T1，在此以熱碼T1包括0-63位階(level)為例做說明，但當知本案並不受限於此。二進 位至熱碼解碼之細節在此可不特別限定之。當知，熱碼T1所包括位階數量並不受限於此。此外，切換電容式數位類比轉換器130所包括的切換電容單元131的數量可相同或相關於熱碼T1所包括的位階數量。
18位元的數位信號L則被積分三角調變器220調變為另一組熱碼T2，在此以熱碼T2包括0-3位階為例做說明，但當知本案並不受限於此。積分三角調變之細節在此可不特別限定之。當知，熱碼T2所包括位階數量並不受限於此。此外，電流導引式數位類比轉換器120所包括的切換電流單元121的數量可相同或相關於熱碼T2所包括的位階數量。
熱碼T1與T2分別被資料權重平均單元230與240進行資料權重平均，以產生高位元群組(M與Mb)與低位元群組(N與Nb)。至於如何進行資料權重平均，在此可不加以限定。於進行資料權重平均後，高位元群組(M與Mb)具有0-63位階，而低位元群組(N與Nb)具有0-3位階。
經由此方式所得到的高位元群組(M與Mb)與低位元群組(N與Nb)有助於整體DAC線性度，以使得本揭露實施例之混合式數位類比轉換器具有較佳的線性度。
此外，低位元群組(N與Nb)的1個位階所對應的轉換後電壓相等於高位元群組(M與Mb)的1個位階所對應的轉換後電壓。
本案實施例之混合式數位類比轉換器在進行數位類比轉換時，如決定輸入信號屬小信號，則對信號N進行數位類比轉換，或如決定輸入信號屬大信號，則對信號M與 N兩者進行數位類比轉換。
現將詳細說明之。假如資料處理器110判斷出輸入數位信號IN大於一臨界值的話，(比如，輸入數位信號IN具有24位元，則此臨界值可設定為000000111111111111111111)，亦即資料處理器110判斷此輸入數位信號IN為大信號，則資料處理器110將信號M與Mb輸出至切換電容式數位類比轉換器130，由切換電容式數位類比轉換器130對信號M與Mb進行數位類比轉換；在此情況下，資料處理器110將信號N與Nb送至電流導引式數位類比轉換器120。
相反地，假如資料處理器110判斷輸入數位信號IN小於或等於此臨界值的話，亦即資料處理器110判斷此輸入數位信號IN為小信號，則資料處理器110將信號N與Nb輸出至電流導引式數位類比轉換器120，由電流導引式數位類比轉換器120對信號N與Nb進行數位類比轉換；在此情況下，由於輸入信號IN屬小信號，故而，將不會有信號M與Mb，故而資料處理器110並不會將信號M與Mb送至切換電容式數位類比轉換器130。
在上述例子中，如果資料處理器110判斷輸入數位信號IN小於或等於此臨界值的話，則輸入數位信號IN為小信號；資料處理器110判斷輸入數位信號IN大於此臨界值的話，則輸入數位信號IN為大信號。在本案其他可能實施例中，亦可，如果資料處理器110判斷輸入數位信號IN小於此臨界值的話，則輸入數位信號IN為小信號；資料處理器110判斷輸入數位信號IN大於或等於此臨界值 的話，則輸入數位信號IN為大信號。
資料處理器110依據信號N與Nb來控制電流導引式數位類比轉換器120的該些切換電流單元121。詳言之，資料處理器110依據信號N與Nb來控制電流導引式數位類比轉換器120的該些切換電流單元121的內部開關的切換。相似地，資料處理器110依據信號M與Mb來控制切換電容式數位類比轉換器130的該些切換電容單元131。詳言之，資料處理器110依據信號M與Mb來控制切換電容式數位類比轉換器130的該些切換電容單元131的內部開關的切換。
本案實施例之混合式數位類比轉換器可應用於具有DAC之任何電子系統當中，比如但不受限於，具有DAC的類比數位轉換器(ADC)、通訊系統當中等。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧混合式數位類比轉換器
110‧‧‧資料處理器
120‧‧‧電流導引式數位類比轉換器
121‧‧‧切換電流單元
130‧‧‧切換電容式數位類比轉換器
131‧‧‧切換電容單元
OP‧‧‧運算放大器
RF ‧‧‧電阻
CF 、CS ‧‧‧電容
210‧‧‧二進位至熱碼解碼器
220‧‧‧積分三角調變器
230、240‧‧‧資料權重平均單元
第1圖顯示根據本揭露實施例之混合式數位類比轉換器100之方塊示意圖。
第2圖顯示本揭露實施例之資料處理器110之功能方塊圖。
100‧‧‧混合式數位類比轉換器
110‧‧‧資料處理器
120‧‧‧電流導引式數位類比轉換器
121‧‧‧切換電流單元
130‧‧‧切換電容式數位類比轉換器
131‧‧‧切換電容單元
OP‧‧‧運算放大器
RF ‧‧‧電阻
CF 、CS ‧‧‧電容

Claims (14)

  1. 一種混合式數位類比轉換器，包括：一資料處理器，將一輸入數位信號處理為一第一數位信號及/或一第二數位信號，其中，該第一數位信號與該第二數位信號分別有關於該輸入數位信號之一高位元部份與一低位元部份；至少一第一類型數位類比轉換器，耦接至該資料處理器，該資料處理器選擇性輸出該第一數位信號給該第一類型數位類比轉換器，該第一類型數位類比轉換器轉換該第一數位信號；至少一第二類型數位類比轉換器，耦接至該資料處理器，用以接收並轉換該資料處理器所產生的該第二數位信號；以及一輸出電路，耦接至該第一類型與該第二類型數位類比轉換器，接收該第一類型與該第二類型數位類比轉換器之輸出信號以輸出一輸出類比信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之混合式數位類比轉換器，其中，該資料處理器根據一臨界值，來將該輸入數位信號處理為該第一數位信號及該第二數位信號，或者將該輸入數位信號輸出為該第二數位信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之混合式數位類比轉換器，其中，該第一類型數位類比轉換器包括一切換電容式數位類比轉換器，其包括複數個切換電容單元；以及 該第二類型數位類比轉換器包括一電流導引式數位類比轉換器，其包括複數個切換電流單元。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之混合式數位類比轉換器，其中，該資料處理器依據該第一數位信號來控制該切換電容式數位類比轉換器的該些切換電容單元；以及該資料處理器依據該第二數位信號來控制該電流導引式數位類比轉換器的該些切換電流單元。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之混合式數位類比轉換器，其中，如果該資料處理器判斷該輸入數位信號小於或等於該臨界值的話，該資料處理器將該第二數位信號輸出至該第二類型數位類比轉換器但不將該第一數位信號輸出至該第一類型數位類比轉換器。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之混合式數位類比轉換器，其中，該資料處理器包括：一二進位至熱碼解碼器，將該輸入數位信號之該高位元部份解碼為一第一熱碼，該第一熱碼具有一第一階數；一積分三角調變器，將該輸入數位信號之該低位元部份解碼為一第二熱碼，該第二熱碼具有一第二階數；以及複數資料權重平均單元，耦接至該二進位至熱碼解碼器與該積分三角調變器，對該第一與該第二熱碼進行資料權重平均，以產生該第一數位信號與該第二數位信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之混合式數位類比轉換器，其中， 該些切換電容單元的數量相關於該第一熱碼的該第一階數；以及該些切換電流單元的數量相關於該第二熱碼的該第二階數。
  8. 一種混合式數位類比轉換方法，包括：(a)將一輸入數位信號處理為一第一數位信號及/或一第二數位信號，其中，該第一數位信號與該第二數位信號分別有關於該輸入數位信號之一高位元部份與一低位元部份；(b)選擇性對該第一數位信號進行一第一類型數位類比轉換；(c)對該第二數位信號進行一第二類型數位類比轉換；以及(d)接收該第一類型與該第二類型數位類比轉換之輸出信號以輸出一輸出類比信號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之混合式數位類比轉換方法，其中，於步驟(a)中，根據一臨界值，來將該輸入數位信號處理為該第一數位信號及該第二數位信號，或者將該輸入數位信號輸出為該第二數位信號。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之混合式數位類比轉換方法，其中，以包括複數個切換電容單元之一切換電容式數位類比轉換器來執行步驟(b)；以及以包括複數個切換電流單元之一電流導引式數位類 比轉換器來執行步驟(c)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之混合式數位類比轉換方法，其中，依據該第一數位信號來控制該切換電容式數位類比轉換器的該些切換電容單元；以及依據該第二數位信號來控制該電流導引式數位類比轉換器的該些切換電流單元。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之混合式數位類比轉換方法，其中，如果判斷該輸入數位信號小於或等於該臨界值的話，則對該第二數位信號執行步驟(c)但不對該第一數位信號執行步驟(b)。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之混合式數位類比轉換方法，其中，於步驟(a)中，將該輸入數位信號之該高位元部份解碼為一第一熱碼，該第一熱碼具有一第一階數；將該輸入數位信號之該低位元部份解碼為一第二熱碼，該第二熱碼具有一第二階數；以及對該第一與該第二熱碼進行資料權重平均，以產生該第一數位信號與該第二數位信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之混合式數位類比轉換方法，其中，該些切換電容單元的數量相關於該第一熱碼的該第一階數；以及該些切換電流單元的數量相關於該第二熱碼的該第 二階數。
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