專利名稱：帶有σδ模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路。
背景技術(shù)：
模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器把可以取任何一個(gè)連續(xù)值的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成一系列相繼的數(shù)字輸出信號，其中的每一個(gè)代表可能的信號值的一個(gè)整數(shù)。∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器利用一個(gè)反饋回路把輸入信號和反饋信號之間的差值減至最小，反饋信號包括由數(shù)字輸出信號代表的并且對于時(shí)間平均的輸出電平。
∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器通常使用一個(gè)比特的輸出信號，它表示兩個(gè)輸出電平之一，但是具有更多可能的輸出電平的轉(zhuǎn)換器也是已知的。例如，PCT專利申請WO01/01578就描述了具有3個(gè)或5個(gè)可能的輸出值的∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這些可能的輸出值對應(yīng)于不同的模擬信號電平。使用兩個(gè)以上可能的輸出值的好處是，對于每秒指定數(shù)目的輸出信號，可能獲得更大的信號噪聲比。
然而，當(dāng)輸出對應(yīng)于兩個(gè)以上可能的輸出電平時(shí)，將有可能出現(xiàn)這樣的風(fēng)險(xiǎn)輸出電平之間的距離的擴(kuò)展將在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換中引入非線性誤差。WO01/01578通過對于輸出信號附加校正消除了這些誤差。在校正階段，這個(gè)∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器將可能的輸出電平數(shù)目減至3個(gè)，以便測量改善線性所需要的校正值。這里沒有詳細(xì)描述在這個(gè)∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中用來產(chǎn)生反饋信號的電路，但經(jīng)過推測可知，可以使用一個(gè)選擇電路，所說的選擇電路根據(jù)輸出信號采取3個(gè)值中的哪一個(gè)來選擇性地將反饋信號的輸出連接到到3個(gè)電壓源之一上。
PCT專利申請WO 00/65723描述了一種帶有歸零開關(guān)的的∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。提供歸零開關(guān)的目的是改善電路的線性。線性可能由記憶效應(yīng)引起，而記憶效應(yīng)則與連續(xù)輸出的輸出信號的組合有關(guān)聯(lián)。歸零開關(guān)通過保證反饋信號每次都復(fù)位到在對應(yīng)于相繼的輸出信號值的假定值之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值來消除這些記憶效應(yīng)。
專利申請WO 00/65723的電路使用一個(gè)差分電流輸出來產(chǎn)生反饋信號。與對應(yīng)的一些差分電流輸出串聯(lián)的開關(guān)實(shí)施歸零開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
除了其它的目的以外，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供帶有∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路，所說的電路允許兩個(gè)以上可能的輸出值，并且?guī)缀鯖]有額外開銷。
除了其它的目的以外，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供帶有∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路，所說的電路允許兩個(gè)以上可能的輸出值，并且不需要校準(zhǔn)。
本發(fā)明提供的帶有∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路包括用于接收模擬輸入信號的模擬輸入端；用于輸出數(shù)字輸出信號的數(shù)字輸出端，數(shù)字輸出信號包括輸出信號值的一個(gè)序列，每個(gè)輸出信號值都來自一組3個(gè)或更多個(gè)可利用值；反饋回路，用于產(chǎn)生數(shù)字輸出信號以使在模擬輸入信號和代表數(shù)字輸出信號的模擬反饋信號之間的時(shí)間的平均差值變?yōu)樽钚?；反饋信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生反饋信號的相繼的信號電平，每個(gè)信號電平都在對應(yīng)的一個(gè)輸出信號值的控制之下，反饋信號發(fā)生器包括歸零開關(guān)電路，歸零開關(guān)電路用于在反饋信號的信號電平之間插入預(yù)定的歸零電平，歸零開關(guān)電路耦合成為可利用值之一提供信號電平的形式。通過使用歸零開關(guān)電路從而不僅分開輸出值而且提供輸出值之一，可獲得一個(gè)簡單的電路，這個(gè)簡單的電路不僅消除由于記憶效應(yīng)引起的非線性，而且還使具有兩個(gè)以上可能的輸出電平的∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換具有較高的信號噪聲比。在本說明書中，歸零開關(guān)電路可由單個(gè)開關(guān)元件組成，或由多個(gè)開關(guān)元件組成。歸零開關(guān)電路例如把一個(gè)輸出連接到用于提供歸零電平的節(jié)點(diǎn)上，或者，歸零開關(guān)電路相互連接各個(gè)差分輸出，或者連接差分輸出到一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)或者到至少提供實(shí)質(zhì)上相同的歸零電平信號的不同的節(jié)點(diǎn)上。
按照本發(fā)明的電路的一個(gè)實(shí)施例使用差分電流輸出來產(chǎn)生反饋信號，并且還使用歸零開關(guān)電路來迫使差分電流之和在有效時(shí)為0。以此方式，在不進(jìn)行復(fù)雜的校準(zhǔn)的情況下，就可以保證在不同的可能的輸出電平之間有一個(gè)均勻的間隔。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用一對連接到對應(yīng)的一些求和節(jié)點(diǎn)上的電阻器以及一個(gè)開關(guān)電路來產(chǎn)生差分電流，這個(gè)開關(guān)電路根據(jù)數(shù)字輸出信號控制加在電阻器兩端的電壓。通過經(jīng)這些電阻器電連接求和節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生歸零電平。以此方式，歸零開關(guān)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部的先前狀態(tài)的全部記憶。
在另一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)電路交換加到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上的電壓。于是，只需要一個(gè)電壓就可以產(chǎn)生反饋信號的兩個(gè)信號電平，歸零開關(guān)通過連接內(nèi)部節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生第三個(gè)電平。結(jié)果，不需要任何校準(zhǔn)就可以保證模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的線性。對于所加的電壓，可以使用穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，如帶隙基準(zhǔn)電壓。這樣，就可以不受外部影響地形成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的刻度。
附圖的簡要說明下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的這些和其它的目的以及其它的優(yōu)點(diǎn)。


圖1表示一個(gè)∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；圖2表示在轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的信號；圖3表示一個(gè)接收電路；圖4表示反饋信號發(fā)生電路；圖5表示反饋信號。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一個(gè)∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器包含輸入級10、減法級12、回路濾波器14、量化器16、和反饋信號發(fā)生器18。輸入級10具有差分輸入端100a、b和耦合到減法級12的求和節(jié)點(diǎn)120a、b的輸出端。例如，所示的輸入級10包含串聯(lián)在每個(gè)輸入端100a、b和相應(yīng)的求和節(jié)點(diǎn)120a、b之間的電容器104a、b和電阻器102a、b。
減法級12、回路濾波器14、和量化器形成一個(gè)數(shù)字化級，用于從差值信號形成數(shù)字輸出信號，所述的差值信號是從輸入信號和輸出信號之間的平均差值獲得的。減法級12包含一個(gè)差分放大器122，它的輸入端耦合到求和節(jié)點(diǎn)120a、b，反饋電容器124a、124b耦合在放大器122的輸出端和它的輸入端之間。減法級12的輸出端經(jīng)過回路濾波器14耦合到量化器16。量化器16有一個(gè)時(shí)鐘輸入端，量化器16的輸出形成∑Δ轉(zhuǎn)換器的輸出。量化器16的這個(gè)輸出端返回耦合到反饋信號發(fā)生器18的輸入端。反饋信號發(fā)生器18的差分輸出端耦合到減法級12的求和節(jié)點(diǎn)120a、b。回路濾波器14例如是4階濾波器，但是濾波器的準(zhǔn)確類型對于本發(fā)明并不是必須的。
在操作中，在輸入端100a、b施加差分輸入信號，在量化器16的輸出端產(chǎn)生數(shù)字輸出信號。通過減法級12相減對應(yīng)于差分輸入信號的信號和輸出信號。所得到的差值由回路濾波器14過濾，經(jīng)過量化確定出輸出信號。回路濾波器14對于這個(gè)差值求時(shí)間的平均。結(jié)果，∑Δ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)對于時(shí)間平均的跟蹤差分輸入信號的輸出信號。
這樣的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器例如可用在接收載波調(diào)制信號的無線信號接收電路中。
圖3表示使用如圖1所示的∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的接收器。這個(gè)接收器包含天線輸入端30、本地振蕩器32、混頻器34a、b、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器36a、b、和信號處理電路38。在操作中，混頻器34a、b在預(yù)定頻帶(如低頻帶)內(nèi)向下變換天線信號使之成為正交信號。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器26a、b采樣并數(shù)字化所說的正交信號。優(yōu)選地，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器36a、b都是如圖1所示的類型，因?yàn)檫@個(gè)類型的轉(zhuǎn)換器能夠提供在強(qiáng)大的非相關(guān)信號存在的情況下區(qū)分信號所需的線性和動(dòng)態(tài)范圍。
在接收器內(nèi)，目標(biāo)信號通常伴有其它的調(diào)制信號，某些調(diào)制信號可能非常強(qiáng)，或者說比目標(biāo)信號還強(qiáng)。為了提取目標(biāo)信號，所需的動(dòng)態(tài)范圍(最大可能的輸入值和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的分辨率之間的比值)很寬。通過使用兩個(gè)以上可能的輸出值能改善動(dòng)態(tài)范圍，但這通常需要相當(dāng)大的電路開銷，并且這將引發(fā)非線性的危險(xiǎn)，在存在強(qiáng)信號的情況下危及弱信號的無擾動(dòng)接收。
圖2表示一個(gè)時(shí)鐘信號C和代表量化器16的輸出信號的信號B。對于量化器16進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使對于每個(gè)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生一個(gè)輸出信號值，輸出信號取3個(gè)值中的一個(gè)。信號B限于代表這些值的3個(gè)可能電平(當(dāng)然，量化器的實(shí)際輸出信號是可能代表任何一種形式的電平的數(shù)字信號，如對于每個(gè)輸出信號用一對比特位的形式)。例如可以通過在量化器16中使用兩個(gè)比較器(未示出)來實(shí)施量化器16，當(dāng)其輸入端的信號之間的差值小于兩個(gè)比較器的閾值電平時(shí)量化器產(chǎn)生第一值，當(dāng)所說的差值小于兩個(gè)閾值電平之一但大于另一個(gè)時(shí)量化器產(chǎn)生第二值，當(dāng)所說的差值大于兩個(gè)閾值電平時(shí)產(chǎn)生第三值。
反饋信號發(fā)生器18向減法電路提供對應(yīng)于信號B的反饋信號I。在每個(gè)時(shí)鐘周期，出現(xiàn)第一相位和第二相位。在第一相位，由這個(gè)時(shí)鐘周期的信號B確定反饋信號I。在第二相位，反饋信號與信號B無關(guān)。第二相位用作不同時(shí)鐘周期的第一相位之間的歸零相位，用于消除在不同的時(shí)鐘周期的第一相位中提供的信號之間的交互效應(yīng)。在第一相位中提供的反饋信號I可以取3個(gè)不同的值與第二相位中相同的值24a-d，或者是與個(gè)值24a-d相對兩側(cè)的值20a-b、22a-c。
當(dāng)在第一相位的反饋信號I取第二相位的相同值24a-d時(shí)，實(shí)施這樣的反饋信號I的裝置與用來實(shí)施第二相位的信號的裝置相同。這樣，利用很少的附加硬件或者不用任何附加硬件，就可以實(shí)現(xiàn)具有3個(gè)可能電平的反饋信號I。
更詳細(xì)地參見圖1，反饋信號發(fā)生器18包括解碼器180、帶隙基準(zhǔn)182、第一對晶體管184a、b、第二對晶體管186a、b、歸零晶體管187、和具有基本上相同阻值的一對電阻器188a、b。量化器16的輸出耦合到解碼器180的輸入端。解碼器180的第一輸出耦合到第一對晶體管184a、b的控制電極，它的第二輸出耦合到第二對晶體管186a、b的控制電極，它的第三輸出耦合到歸零晶體管187的控制電極。
求和節(jié)點(diǎn)120a、b每一個(gè)都經(jīng)過對應(yīng)的一個(gè)電阻器188a、b耦合到對應(yīng)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b經(jīng)過歸零晶體管187的主要電流通道相互耦合。第一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a經(jīng)過并行安排的第一和第二路徑耦合到基準(zhǔn)端189。第一路徑包含第一晶體管對的第一晶體管184a的主要電流通道。第二路徑包含第二晶體管對186a、b的第一晶體管186a的主要電流通道和與其串聯(lián)的帶隙基準(zhǔn)182。類似地，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185b的第二個(gè)經(jīng)過并行安排的第三和第四路徑耦合到基準(zhǔn)端189。第三路徑包含第一晶體管對的第二晶體管184b的主要電流通道和與其串聯(lián)的帶隙基準(zhǔn)182。第四路徑包含第二晶體管對186a、b的第一晶體管186a的主要電流通道。
在操作中，通過在求和節(jié)點(diǎn)120a、b對于來自輸入端100a、b和反饋信號發(fā)生器18的電流求和，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。圖2表示的是差分電流I形式的反饋信號I，差分電流是從反饋信號發(fā)生器18開始經(jīng)過電阻器188a、b流到求和節(jié)點(diǎn)120a、b的電流之間的差。
解碼器180在信號B的控制下控制所說的反饋信號發(fā)生器18以3種不同的電流形式之一向求和節(jié)點(diǎn)120a、b提供電流，分別提供正的差分電流、負(fù)的差分電流、和零差分電流。在每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生第一相位和第二相位，在第一相位中按照由這個(gè)時(shí)鐘周期的信號B確定的形式提供電流，在第二相位中按照不提供電流并且與信號B無關(guān)的形式提供電流。第二相位的作用是歸零相位，用于消除在不同時(shí)鐘周期的第一相位提供的電流之間的交互效應(yīng)。
按照第一種形式，當(dāng)相互相反的電流經(jīng)過電阻器188a、b加到求和節(jié)點(diǎn)120a、b時(shí)，即當(dāng)加到第一求和節(jié)點(diǎn)120a的電流具有第一符號，加到第二求和節(jié)點(diǎn)120b的電流具有與第一符號相反的第二符號時(shí)，產(chǎn)生正的差分電流20a、b。按照第二種形式，當(dāng)相互相反的電流(但與第一種形式電流的方向相反)加到求和節(jié)點(diǎn)時(shí)，即加到第一求和節(jié)點(diǎn)120a的電流具有第二符號，加到第二求和節(jié)點(diǎn)120b的電流具有第一符號時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的差分電流22a-c，。按照第三種形式，產(chǎn)生零差分電流24a-d。
按以下所述方法可以保證通過電阻器188a、b的相互相反的電流。假定輸入信號是差分的，求和節(jié)點(diǎn)120a、b的共模電壓比基準(zhǔn)端189的電壓高出半個(gè)帶隙電壓。這是因?yàn)榻獯a器180控制晶體管對184a、b、186a、b，使得這些晶體管對在某個(gè)時(shí)間時(shí)其中之一導(dǎo)電或者都不導(dǎo)電。因此，當(dāng)晶體管對184a、b、186a、b中的任何一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b耦合到基準(zhǔn)端，另一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)耦合到帶隙基準(zhǔn)182。結(jié)果，在求和節(jié)點(diǎn)120a、b上的電壓之和就等于帶隙基準(zhǔn)電壓。
差分放大器122的功能是一個(gè)差分運(yùn)算放大器，并且通過電容器124a、b設(shè)置成一個(gè)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。結(jié)果，放大器122均衡求和節(jié)點(diǎn)120a、b處的電壓，以使兩個(gè)電壓都等于共模電壓。結(jié)果，差分輸入電壓導(dǎo)致加到求和節(jié)點(diǎn)120a、b的電流彼此相反。類似地，反饋信號發(fā)生器在來自量化器16的輸出信號的控制下向求和節(jié)點(diǎn)120a、b提供差分電流。
解碼器180根據(jù)量化器16的輸出信號(由信號B表示)控制晶體管對184a、b、186a、b中的哪一個(gè)導(dǎo)通。當(dāng)晶體管對184a、b、186a、b中的一個(gè)導(dǎo)通并且歸零晶體管187不導(dǎo)通時(shí)，一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b取基準(zhǔn)端189的電壓，另一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b取高于基準(zhǔn)端電壓的一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓。在這種情況下，由于求和節(jié)點(diǎn)的電壓高于基準(zhǔn)端電壓半個(gè)帶隙電壓，所以流過電阻器188a、b的電流彼此相反。
應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明不限于圖1的電路。例如，可以使用從反饋信號發(fā)生器產(chǎn)生3個(gè)電流電平的另一種形式。
圖4表示一種數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，它包含解碼器40、第一和第二電流源42a、b、第三和第四電流源44a、b、以及一系列開關(guān)46a-d。數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器的第一和第二輸出端48a、b一起形成電路的差分輸出。第一輸出48a耦合到第一電流源42a的輸出端，數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器的第二輸出48b耦合到第二電流源42b的輸出端。第一輸出48a分別經(jīng)過對應(yīng)的開關(guān)46a、b耦合到第三和第四電流源44a、b的輸出端。第二輸出48b分別經(jīng)過對應(yīng)的開關(guān)46c、d耦合到第三和第四電流源44a、b的輸出端。對于第一、第二、第三、和第四電流源42a、b、44a、b進(jìn)行安排，以使它們能夠提供基本上相同的輸出電流。在時(shí)鐘輸入clk和在數(shù)字輸入端41接收的數(shù)字信號的控制下，通過解碼器40來控制這些開關(guān)。
圖5表示的信號說明了圖4的電路的操作。第一信號clk代表時(shí)鐘信號，用I和II表示時(shí)鐘周期的交替的第一和第二相位。第二信號B代表數(shù)字輸入信號的一個(gè)例子。數(shù)字信號包含一系列表示信號值的代碼值。如圖所示，數(shù)字輸入信號B取與不同的代碼值相對應(yīng)的3個(gè)電平。
第三個(gè)信號Idiff表示流到輸出端48a、b的凈電流之間的差值。電路的操作在兩個(gè)交替的相位I、II中進(jìn)行。在第一相位I，解碼器40根據(jù)數(shù)據(jù)控制開關(guān)46a-d，以便根據(jù)加到輸出端48a、b凈電流差提供數(shù)據(jù)。在第二相位II，解碼器40控制開關(guān)46a-d以便向輸出端48a、b提供歸零電流差。
當(dāng)數(shù)字輸入信號B對于高電平編碼時(shí)，解碼器40控制開關(guān)46a-d在第一相位，從而將第三和第四電流源44a、b兩者的輸出都連接到第二電流源42b的輸出端。這樣，第一輸出端的凈電流就等于來自第一電流源42a的電流Ia。假定來自第一、第二、第三、和第四電流源42a、b的電流相等，則在第二輸出端48b上的凈電流是-Ia。在第一和第二輸出端的凈電流之間的差值為2Ia，這個(gè)差值對應(yīng)于高電平差分輸出電流51。
類似地，當(dāng)數(shù)字輸入信號B對于低電平編碼時(shí)，解碼器40控制開關(guān)46a-d在第一相位，從而將第三和第四電流源44a、b兩者的輸出都連接到第一電流源42b的輸出端。這樣，在第一和第二輸出端的凈電流之間的差值為-2Ia，這個(gè)差值對應(yīng)于低電平差分輸出電流53。
當(dāng)數(shù)字輸入信號B對第三電平編碼時(shí)，解碼器40控制開關(guān)46a-d在第一相位，從而將第三和第四電流源44a、b兩者的輸出分別連接到第一和第二電流源42b的輸出端，或者分別連接到第二和第一電流源42b的輸出端。這樣，在第一和第二輸出端的凈電流之間的差為0。
使所說的電路以和歸零電平相同的方式輸出第三輸入信號。在第二相位，解碼器40還通過控制開關(guān)46a、b以分別連接第三和第四電流源44a、b的輸出到第一和第二電流源42b的輸出或者分別到第二和第一電流源42b的輸出來產(chǎn)生差值0。
在實(shí)踐中，例如由于在實(shí)施不同的電流源的過程中的幾何學(xué)或參數(shù)的差異，電流源42a、b、44a、b提供的電流可能有所不同。電流不相同的結(jié)果是，歸零電平時(shí)在輸出端48a、b產(chǎn)生的凈電流的差值不是嚴(yán)格地在高電平和低電平的差值輸出的中點(diǎn)。當(dāng)歸零電平僅僅用作歸零電平使用而不是當(dāng)作可由數(shù)字輸入信號B選擇的第三輸出電平使用時(shí)，這不是問題。但當(dāng)歸零電平當(dāng)作可由數(shù)字輸入信號B選擇的第三輸出電平使用時(shí)，這將導(dǎo)致數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換的非線性。
為了克服這種非線性，最好使用兩個(gè)不同的狀態(tài)來提供用于第三電平的電流以使用于第三電平的輸出電流平均來說嚴(yán)格地處在高和低電平之間的中點(diǎn)，從而可以對第三電平進(jìn)行斬波。在第一狀態(tài)，解碼器40控制開關(guān)46a-d以連接第一電流源42a的輸出到第三電流源44a的輸出，并且連接第二電流源42b的輸出到第四電流源44b的輸出。相反，在第二狀態(tài)，解碼器40控制開關(guān)46a-d以連接第一電流源42a的輸出到第四電流源44b的輸出，并且連接第二電流源42b的輸出到第三電流源44a的輸出。
在下面的表格中，總結(jié)了在第一和第二狀態(tài)下流到輸出端48a、b的凈電流，用I1、I2、I3、I4分別表示來自第一、第二、第三、和第四電流源42a、b、44a、b的電流。此外，在表格中還包括對于高和低數(shù)字輸入B時(shí)的電流。
輸出48a 輸出48b 差值B高電平 I1I2-I3-I4 I1-I2+I3+I4B低電平 I1-I3-I4 I2I1-I2-I3-I4狀態(tài)1I1-I3 I2-I4 I1-I2-I3+I4狀態(tài)2I1-I4 I2-I3 I1-I2+I3-I4應(yīng)該記住，I1-I4基本上相等，只是有些誤差。應(yīng)當(dāng)說明的是，所說的電流差對于I1-I2的不同極性、以及高和低電平的輸入信號B是有差別的。在第一和第二狀態(tài)，對于高和低電平的輸入信號B的電平之間的中點(diǎn)的電平I1-I2存在小的偏差。在第一和第二狀態(tài)的電平的平均值嚴(yán)格地在高和低電平輸入信號B之間的中點(diǎn)的電平I1-I2。即使電流彼此不相等，這也將用于抵消非線性。
最好對于解碼器40進(jìn)行安排，以便可利用狀態(tài)1和狀態(tài)2這兩者在數(shù)字輸入信號取高和低電平之間的第三電平和/或在第二相位內(nèi)時(shí)可產(chǎn)生輸出電流。在不同的時(shí)鐘周期解碼器40選擇不同的狀態(tài)，因而平均來說第三電平的輸出電流在高和低電平之間的中點(diǎn)，即，頻繁地選擇這兩個(gè)狀態(tài)。這樣，回路濾波器14將使在使用第三電平時(shí)產(chǎn)生的非線性最終得到平衡。
可以使用各種各樣的方法來選擇在輸入信號取第三值時(shí)用于控制在第一相位I中的輸出電流的狀態(tài)。每一種方法最好都應(yīng)該保證兩個(gè)狀態(tài)頻繁地發(fā)生，至少平均來說是這樣。當(dāng)然，在每個(gè)單獨(dú)的狀態(tài)，電流還是偏離理想值的，但是平均來說這個(gè)電流是等于理想值的，回路濾波器14濾掉了大部分偏差。優(yōu)選地，大多數(shù)偏差的頻譜密度應(yīng)該移動(dòng)到可由回路濾波器14濾掉的那些頻率上。因此，選擇狀態(tài)的方法最好應(yīng)該促進(jìn)偏差的頻譜密度向較高的頻率(可由回路濾波器14濾除的頻率)移動(dòng)。
在第一組實(shí)施例中，在第一相位I使用的狀態(tài)與第二相位II中使用的狀態(tài)無關(guān)。然而，這限制了可使用頻譜密度的最大頻率。因此，在第二組實(shí)施例中，在第一和第二相位中使用的狀態(tài)彼此相關(guān)。這就有可能移動(dòng)頻譜密度到較高的頻率。
在第一相位I中使用的狀態(tài)與第二相位II中使用的狀態(tài)無關(guān)的實(shí)施例中，可以使用任何狀態(tài)來在提供輸入信號控制電流的第一相位I之間的第二相位II提供歸零電流。例如，在第二狀態(tài)中，可以總是使用相同的狀態(tài)。這將導(dǎo)致一個(gè)直流偏移信號，但是在大多數(shù)應(yīng)用中，如音頻輸出或無線信號接收，這樣的偏移信號是不相關(guān)的。按另一種方式，在第二相位II中使用的狀態(tài)可以是在相繼的時(shí)鐘周期中交替出現(xiàn)的。按下一種方式，在第二相位中使用的狀態(tài)可以是從一個(gè)時(shí)鐘周期到另一個(gè)時(shí)鐘周期觸發(fā)的。當(dāng)然，當(dāng)不需要?dú)w零電平時(shí)，電路可以在整個(gè)時(shí)鐘周期期間簡單地提供輸入信號控制的輸出電流。在這種情況下，不需要第二相位，或者說，在切換期間過渡過程中，第二相位只是暫時(shí)出現(xiàn)的。
當(dāng)與第二種狀態(tài)II中使用的狀態(tài)無關(guān)地選擇在第一相位I中使用的狀態(tài)的時(shí)候，可以使用各種方法來選擇在第一相位I中的狀態(tài)。在第一實(shí)施例中，當(dāng)產(chǎn)生第三電平時(shí)解碼器40交替地簡單使用狀態(tài)1和狀態(tài)2。這樣，就很容易地保證用于第三電平的平均電流差在用于高和低電平的電流差之間的中點(diǎn)。為了實(shí)施這個(gè)實(shí)施例，例如可以在解碼器40中包括一個(gè)觸發(fā)器(未示出)，這個(gè)觸發(fā)器控制用來控制當(dāng)輸入信號B選擇第三電平時(shí)開關(guān)46a-d的狀態(tài)，每當(dāng)輸入信號B選擇第三電平時(shí)所說的觸發(fā)器觸發(fā)。以此方式，可將偏差的頻譜密度移動(dòng)到較高的頻率，但最大頻率受到第三電平發(fā)生的頻率的限制。當(dāng)最大頻率很低時(shí)，由于第三電平以較低的頻率發(fā)生，所以頻譜密度很小，但在某些應(yīng)用中，這個(gè)頻率太低，以致于不能平均掉所說的偏差。
在一個(gè)實(shí)施例中，解碼器40在偶數(shù)時(shí)鐘周期使用狀態(tài)1，在奇數(shù)時(shí)鐘周期使用狀態(tài)2。這樣做也能保證用于第三電平的平均電流差在用于高和低電平的電流差之間的中點(diǎn)。為了實(shí)施這個(gè)實(shí)施例，例如可以在解碼器40中包括一個(gè)觸發(fā)器(未示出)，這個(gè)觸發(fā)器控制用來控制當(dāng)輸入信號B選擇第三電平時(shí)開關(guān)46a-d的狀態(tài)，每個(gè)時(shí)鐘周期觸發(fā)器都觸發(fā)。在下一個(gè)實(shí)施例中，可以使用偽隨機(jī)發(fā)生器，如準(zhǔn)確設(shè)計(jì)的LFSR(線性反饋移位寄存器)來觸發(fā)所說的觸發(fā)器。在所有的這些實(shí)施例中，移動(dòng)所說偏差的頻譜密度的最大頻率受到第三電平發(fā)生的頻率的限制。在某些應(yīng)用中，這個(gè)頻率太低，以致于不能平均掉所說的偏差。
在另一個(gè)實(shí)施例中，使用前一個(gè)輸入信號來選擇第一相位I中的狀態(tài)。這就是說，當(dāng)?shù)谌娖捷斎胄盘栐谝粋€(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生并且前一個(gè)時(shí)鐘周期中的輸入信號是高電平時(shí)，在這個(gè)時(shí)鐘周期選擇第一狀態(tài)。當(dāng)前一個(gè)時(shí)鐘周期中的輸入信號是低電平時(shí)，在這個(gè)時(shí)鐘周期選擇第二狀態(tài)。當(dāng)前一個(gè)輸入信號具有第三電平時(shí)，觸發(fā)與前一個(gè)時(shí)鐘周期的狀態(tài)有關(guān)的狀態(tài)。由于高和低電平以相等的頻度發(fā)生，這將保證平均來說產(chǎn)生兩個(gè)狀態(tài)的頻率相等。為了實(shí)施選擇狀態(tài)的這種方法，例如可以使用在解碼器40中的一個(gè)鎖存器(未示出)，當(dāng)輸入信號是高或低電平時(shí)，鎖存器鎖存前一個(gè)輸入信號；當(dāng)輸入信號取中間值時(shí)，鎖存器鎖存前一個(gè)內(nèi)容的邏輯相反的內(nèi)容。然而，這個(gè)方法的缺點(diǎn)是，狀態(tài)與輸入信號相關(guān)聯(lián)，以致于偏差的頻譜密度的一部分可能發(fā)生在低的頻率。
當(dāng)相互關(guān)聯(lián)地選擇第一相位和第二相位所使用的狀態(tài)時(shí)，偏差的頻譜密度可以移動(dòng)到較高的頻率。圖5表示用于選擇在第一相位使用的狀態(tài)的一個(gè)可替換實(shí)施例的結(jié)果。在這個(gè)實(shí)施例中，每當(dāng)輸出中間值時(shí)，即在第一相位輸出中間值并且在第二相位輸出中間值時(shí)，解碼器40交替地改變所選的狀態(tài)?？梢允褂酶鞣N方法來實(shí)施這個(gè)可替換實(shí)施例。例如可以在解碼器40中包括一個(gè)觸發(fā)器(未示出)，這個(gè)觸發(fā)器控制用來控制當(dāng)在第一相位和第二相位都輸出第三電平時(shí)開關(guān)46a-d的狀態(tài)，每當(dāng)輸出這個(gè)第三電平時(shí)觸發(fā)器都觸發(fā)。一個(gè)可替換實(shí)施例例如使用一個(gè)觸發(fā)信號，所說的觸發(fā)信號在與數(shù)據(jù)B無關(guān)的相繼的各個(gè)相位之間進(jìn)行觸發(fā)，并且當(dāng)數(shù)字輸入信號B不取中間值時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘周期都觸發(fā)一個(gè)觸發(fā)器。在這個(gè)可替換實(shí)施例中，通過形成觸發(fā)信號和觸發(fā)器輸出的“異或”邏輯運(yùn)算，來形成用于選擇將要使用的狀態(tài)的信號。
這樣，只要在時(shí)鐘周期的第一相位輸出高或低值，就會在第一和第二狀態(tài)之間簡單地觸發(fā)在第二相位中用于輸出歸零電平的狀態(tài)。當(dāng)在一個(gè)時(shí)鐘周期中輸出第三值時(shí)，在第一和第二相位中將使用不同的狀態(tài)，第一相位中選擇的狀態(tài)與在前一個(gè)時(shí)鐘周期中使用的狀態(tài)有關(guān)系。
在圖5中，例如，在相繼的第二相位中使用的狀態(tài)交替改變，除非在居中的第一相位中產(chǎn)生第三電平信號(從略高和略低的電平52、56可以識別不同的狀態(tài))。在第一時(shí)鐘周期，產(chǎn)生中間值輸入信號50。在此第一時(shí)鐘周期，使用第一狀態(tài)(如圖所示具有略高于高和低電平之間的中點(diǎn)電平的電平52)來產(chǎn)生第一相位的輸出信號。在產(chǎn)生輸入信號54的中間值的下一個(gè)時(shí)鐘周期，使用第二狀態(tài)(如圖所示具有略高于高和低電平之間的中點(diǎn)電平的電平56)，因?yàn)閺妮斎胄盘柸≈虚g值50的前一個(gè)時(shí)鐘周期開始已經(jīng)產(chǎn)生了奇數(shù)的時(shí)鐘周期。在輸入信號取中間值58的下一個(gè)時(shí)鐘周期，再次使用第二狀態(tài)59，因?yàn)樽詮那耙粋€(gè)中間值54開始，偶數(shù)的時(shí)鐘周期已經(jīng)開始。
以此方式，對于相繼選擇的狀態(tài)輸出的信號有效地形成數(shù)字振蕩器的輸出信號，它的標(biāo)稱振蕩周期對應(yīng)于采樣頻率的一半。當(dāng)數(shù)字輸入信號取高和低值之間的第三值時(shí)，這個(gè)振蕩器的振蕩根據(jù)數(shù)字輸入信號B進(jìn)行相位調(diào)制。以此方式，第一相位使用的信號偏差的頻譜密度被調(diào)制成在第二相位中偏差的頻譜密度。借此可將頻譜密度設(shè)置在高頻，將其濾除更加容易。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是以犧牲由于在第二相位中選擇用于歸零電平的狀態(tài)引起的偏差的頻譜密度為代價(jià)的。與交替改變第二相位中用于歸零電平的狀態(tài)并且這種狀態(tài)與頻譜密度的數(shù)據(jù)部分無關(guān)的實(shí)施例相比，在第二相位中選擇不同的狀態(tài)可使頻譜密度移動(dòng)到較低的頻率。然而，這個(gè)頻譜密度仍舊保持在容易濾除的頻率。
應(yīng)該認(rèn)識到，在不違背本發(fā)明的條件下，當(dāng)數(shù)字輸入信號取中間值時(shí)，在第一相位I中使用的狀態(tài)可以是按其它方式得到的高頻數(shù)字振蕩信號的一部分。例如，當(dāng)數(shù)字輸入信號不取高或低值時(shí)，可以使用略低頻率的數(shù)字振蕩信號來觸發(fā)時(shí)鐘周期的唯一部分，或者可以使用高頻偽隨機(jī)振蕩來相繼選擇用于相繼的第二相位和輸出中間值的第一相位的狀態(tài)。
應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明不限于所述的電路。例如，可以使用電壓減法來代替使用求和節(jié)點(diǎn)120a、b的電流減法。在這種情況下，要改變反饋信號發(fā)生器，以便在量化器16的輸出信號的控制下產(chǎn)生3個(gè)電壓之一，提供一個(gè)中間電壓，以此作為提供由量化器的輸出信號控制的電壓之間的歸零電壓的電壓。在另一個(gè)實(shí)例中，可以使用混合的電壓電流加法電路。
可以使用從反饋信號發(fā)生器產(chǎn)生3個(gè)電流值的任何形式，例如使用常規(guī)的具有電流源輸出端以便輸出電流到求和節(jié)點(diǎn)的電壓-電流變換器。然而，使用單個(gè)電壓源182，并將電壓源182經(jīng)過一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和電阻器188a、b連接到求和節(jié)點(diǎn)120a、b，這簡化了設(shè)計(jì)，并且當(dāng)電阻器188a、b匹配良好時(shí)可提供校準(zhǔn)準(zhǔn)確的電路。這樣，這個(gè)電路對于擴(kuò)大的參數(shù)更加適應(yīng)，并且不需要復(fù)雜的校準(zhǔn)。
電阻器188a、b可使用任何類型的電阻性結(jié)構(gòu)來實(shí)施，例如多晶硅的一個(gè)區(qū)域，或者是恒定控制電壓的場效應(yīng)晶體管器件，等等。雖然圖中表示的是帶隙基準(zhǔn)182，但是還可以使用任何其它類型的電壓基準(zhǔn)。然而，帶隙基準(zhǔn)是優(yōu)選的，因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)提供的電壓幾乎不受外部的影響。
雖然所示的實(shí)施例通過電阻器188a、b產(chǎn)生彼此相反的電流，但是在這些電流上當(dāng)然還可以加上一個(gè)共模電流，例如，在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b加上類似的電流源。然而，這樣的共模電流需要準(zhǔn)確的匹配以避免在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)非線性。使用彼此相反的電流可使這種匹配不重要。
進(jìn)而，雖然圖1的電路旨在用于3個(gè)電平的輸出信號，但還可以使用更多的輸出電平，例如5個(gè)輸出電平，對于每個(gè)輸出電平，使用歸零開關(guān)來實(shí)現(xiàn)反饋信號。優(yōu)選地，使用奇數(shù)個(gè)電平，歸零電平在中間，另外的電平對稱地并等距地設(shè)置在歸零電平的每一側(cè)。這樣，需要最小數(shù)目的元件來影響線性。例如，通過包括電阻器和連接到求和節(jié)點(diǎn)120a、b的開關(guān)電路的組合，并且將這個(gè)組合與電阻器188a、b和開關(guān)電路184a、b的組合并聯(lián)，可以得到附加的電平，線性將通過電阻匹配來確定如果不使用單個(gè)的歸零晶體管187，還可以使用晶體管的組合或者其它類型的開關(guān)，例如，兩個(gè)開關(guān)晶體管，每個(gè)晶體管都設(shè)置在相應(yīng)的一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)185a、b和用于提供等于1/2帶隙電壓的一個(gè)基準(zhǔn)電壓的節(jié)點(diǎn)之間。然而，如圖1所示的使用一個(gè)在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的開關(guān)的實(shí)施例的復(fù)雜性較小，而且在制造期間的參數(shù)擴(kuò)展適應(yīng)性更強(qiáng)，并且可以利用在使用帶隙基準(zhǔn)提供第三電流電平的過程中產(chǎn)生的電壓。
類似地，如果不利用帶隙基準(zhǔn)182在求和節(jié)點(diǎn)120a、b確定共模電壓，所說的帶隙基準(zhǔn)182還用于控制電流的大小，則還可以利用(其本身或與帶隙基準(zhǔn)182組合地利用)一個(gè)單獨(dú)的電壓源來確定共模電壓。例如，如果省去電容器104a、b，則可以使用來自輸入端100a、b的共模電壓。然而，通過使用帶隙基準(zhǔn)182，可使這個(gè)電路與輸入信號無關(guān)，因而更能適應(yīng)外部影響。
在圖1的電路中，采樣是在時(shí)鐘信號的控制下由量化器16完成的，但是，采樣當(dāng)然也可以在這個(gè)電路的其它地方完成。然而，在量化器中完成采樣，可以使用時(shí)間連續(xù)的回路濾波器14。這將改善濾波器的濾波操作。
權(quán)利要求
1.一種帶有∑Δ模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電路，包括用于接收模擬輸入信號的模擬輸入端(100a、b)；用于輸出數(shù)字輸出信號的數(shù)字輸出端，數(shù)字輸出信號包括輸出信號值的一個(gè)序列，每個(gè)輸出信號值都來自一組3個(gè)或更多個(gè)可利用值；反饋回路，用于產(chǎn)生數(shù)字輸出信號以使在模擬輸入信號和代表數(shù)字輸出信號的模擬反饋信號之間的時(shí)間的平均差值變?yōu)樽钚。环答佇盘柊l(fā)生器(18)，用于產(chǎn)生反饋信號的相繼的信號電平，每個(gè)信號電平都在對應(yīng)的一個(gè)輸出信號值的控制之下，反饋信號發(fā)生器包括歸零開關(guān)電路(187)，用于在反饋信號的信號電平之間插入預(yù)定的歸零電平，將歸零開關(guān)電路耦合成為可利用值之一提供信號電平的形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，輸入端包括一對差分輸入端(100a、b)，反饋回路包括耦合到差分輸入端(100a、b)的一對電流求和節(jié)點(diǎn)(120a、b)、從提供給電流求和節(jié)點(diǎn)(120a、b)的凈電流之間的差值確定輸出信號值的數(shù)字化電路(12、14、16)、當(dāng)有效時(shí)電耦合該求和節(jié)點(diǎn)的歸零開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，反饋信號發(fā)生器包括一對電阻器(188a、b)，每個(gè)電阻器都耦合在相應(yīng)的一個(gè)電流求和節(jié)點(diǎn)(120a、b)和相應(yīng)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(185a、b)之間；一個(gè)開關(guān)電路(184a、b、186a、b)，耦合到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，用于根據(jù)輸出信號值使通過電阻器(188a、b)的電流反向；歸零開關(guān)電路(187)，經(jīng)過內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(185a、b)耦合該求和節(jié)點(diǎn)(122a、b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，反饋信號發(fā)生器包括一個(gè)基準(zhǔn)電壓源(182)，開關(guān)電路(184a、b，186a、b)提供可交換的連接，至少當(dāng)為所述可利用值之一以外的可利用值提供信號電平時(shí)，用于將基準(zhǔn)電壓源(182)的相對的兩端連接到相應(yīng)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(185a、b)上，這種連接在輸出信號值的控制下進(jìn)行交換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，包括一個(gè)混頻器(34a、b)，耦合到混頻器(34a、b)的本地振蕩器(32)和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端耦合到混頻器(34a、b)的輸出端。
全文摘要
模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有用于輸出數(shù)字輸出信號的數(shù)字輸出端，數(shù)字輸出信號是從一組3個(gè)或更多個(gè)可利用值中選擇出來的。反饋回路產(chǎn)生數(shù)字輸出信號以使在模擬輸入信號和代表數(shù)字輸出信號的模擬反饋信號之間的時(shí)間平均差值變?yōu)樽钚?。反饋信號發(fā)生器產(chǎn)生反饋信號的相繼的信號電平。歸零開關(guān)在反饋信號的信號電平之間插入預(yù)定的歸零電平。歸零開關(guān)還用于提供可利用值之一的信號電平。
文檔編號H03M3/04GK1630983SQ02827666
公開日2005年6月22日 申請日期2002年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月30日
發(fā)明者R·G·M·范維德霍文, L·J·布里姆斯, E·C·迪克曼斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司