CN116667854A - 积分三角模拟数字转换器以及用来消除其闲置音调的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种积分三角模拟数字转换器以及用来消除其闲置音调的方法。该积分三角模拟数字转换器包含一环路滤波器、一量化器、一加法器以及一数字模拟转换器。该环路滤波器对一模拟输入信号与一模拟反馈信号之间的一差值进行滤波以产生一滤波后信号。该量化器耦接至该环路滤波器，并且依据该滤波后信号产生一数字输出信号。该加法器耦接至该量化器，并且将该数字输出信号加上一数字抖动信号以产生一数字反馈信号。该数字模拟转换器耦接至该环路滤波器，并且依据该数字反馈信号产生该模拟反馈信号。
Description
技术领域
本发明是关于积分三角(Sigma Delta)模拟数字转换器，特别是一种积分三角模拟数字转换器以及用来消除积分三角模拟数字转换器的闲置音调(idle tone)的方法。
背景技术
积分三角(Sigma Delta)模拟数字转换器典型地是以超取样的方式操作，其中当输入信号极小或等于零时(例如输入信号的电压电平维持在一固定值的状况下)，积分三角模拟数字转换器的输出信号会呈现周期性而具有类似时脉信号的行为，但在超取样的操作下，频带外的信号典型地会被滤除。因此，在大部分的情况下，上述输出信号的周期性而衍生的单音信号并不会严重地影响最终的输出结果。
然而，当输入信号位在某个直流电平的区间时，上述单音信号则会落入信号频带内，使得积分三角模拟数字转换器无法或难以输出正确的信号，其中因为上述情况而出现在信号频带内的单音信号可被称为“闲置音调(idle tone)”。由于电路以及输入环境均会提供噪声，因此在实作上闲置音调出现的机会并不多。但近期由于蓝牙耳机市场的普及以及主动降噪需求的增加，在模拟数字转换器的规格诸如信号噪声比(Signal-to-noiseratio,SNR)要求越来越高的情况下，闲置音调出现的机会也越来越大。
相关技术虽然已提出了某些解决闲置音调的方案，但这些方案典型地需要通过大量的量测结果去决定所需的设定，而且在晶片制造过程中的参数偏移也让相关技术的做法面临困难。因此，需要一种新颖的方法，以在没有副作用或较不会带来副作用的情况下解决相关技术的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种积分三角(Sigma-delta)模拟数字转换器以及用来消除积分三角模拟数字转换器的闲置音调(idle tone)的方法，以确保制造出的晶片在各种状况下都能妥善地避免闲置音调的出现。
本发明至少一实施例提供一种积分三角模拟数字转换器，其中该积分三角模拟数字转换器可包含一环路滤波器、一量化器、一加法器、以及一数字模拟转换器。该环路滤波器可用来对一模拟输入信号与一模拟反馈信号之间的差值进行滤波以产生一滤波后信号。该量化器是耦接至该环路滤波器，并且可用来依据该滤波后信号产生一数字输出信号。该加法器是耦接至该量化器，并且可用来将该数字输出信号加上一数字抖动(dithering)信号以产生一数字反馈信号。该数字模拟转换器是耦接至该环路滤波器，并且可用来依据该数字反馈信号产生该模拟反馈信号。
本发明至少一实施例提供一种用来消除积分三角模拟数字转换器的闲置音调的方法。该方法可包含：利用该积分三角模拟数字转换器的一环路滤波器对一模拟输入信号与一模拟反馈信号之间的差值进行滤波以产生一滤波后信号；利用该积分三角模拟数字转换器的一量化器依据该滤波后信号产生一数字输出信号；利用该积分三角模拟数字转换器的一加法器将该数字输出信号加上一数字抖动(dithering)信号以产生一数字反馈信号；以及利用该积分三角模拟数字转换器的一数字模拟转换器依据该数字反馈信号产生该模拟反馈信号。
本发明的实施例所提供的架构以及方法通过在数字域(digital domain)将抖动信号加入信号回路中，从而避免闲置音调的出现。尤其，在数字域进行信号处里能精确地控制抖动信号的能量大小以及频谱行为，因此能避免整体***因为加入额外的信号所导致的问题(例如回路饱和、信号动态范围的缩小)。另外，本发明的实施例不会大幅地增加额外成本，因此本发明能在没有副作用或较不会带来副作用的情况下避免闲置音调的出现。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的一积分三角模拟数字转换器10的示意图。
图2为依据本发明一实施例的一种用来消除一积分三角模拟数字转换器的闲置音调的方法的工作流程。
具体实施方式
图1为依据本发明一实施例的一积分三角(Sigma-delta)模拟数字转换器(或称“和差模拟数字转换器”)10的示意图。如图1所示，积分三角模拟数字转换器10可包含一环路滤波器110、一量化器诸如N比特量化器120、一加法器诸如N比特加法器130、以及一数字模拟转换器140，其中N为正整数。在本实施例中，N可为大于一的正整数，而积分三角模拟数字转换器10可另包含一解码器150以及一数据加权平均(data weighted averaging)逻辑电路160。在某些实施例中，N可等于一(例如使用单比特量化器的架构)，而解码器150以及数据加权平均逻辑电路160可予以省略。然而，闲置音调典型地较容易发生在高规格(低噪声)的架构，其中这样的架构典型地会采用多比特量化器而不会采用单比特量化器来实施。另外，相较于使用多比特量化器，使用单比特量化器所产生的量化噪声较大，因此也较不容易导致闲置音调的出现。由于本发明旨在针对具有闲置音调出现的风险的架构进行改良，因此本发明的实施例是以使用多比特量化器的架构来做说明，但本发明不限于此。
在本实施例中，环路滤波器110可利用其第一输入端(在图1中标示“+”以求简明)接收一模拟输入信号Ain，并且利用其第二输入端(在图1中标示“-”以求简明)自数字模拟转换器140接收一模拟反馈(feedback)信号Afb，其中环路滤波器110可用来对模拟输入信号Ain与模拟反馈信号Afb之间的差值进行滤波以产生一滤波后信号Aft。N比特量化器120是耦接至环路滤波器110以接收滤波后信号Aft，并且可用来依据滤波后信号Aft产生一数字输出信号Dout(例如依据滤波后信号Aft的电压电平输出对应的数字码)。N比特加法器130是耦接至N比特量化器120以接收数字输出信号Dout，并且可自数字信号处理电路170接收一数字抖动(dithering)信号Dn以将数字输出信号Dout加上数字抖动信号Dn以产生一数字反馈信号D1(例如D1＝Dout+Dn)。数字模拟转换器140是耦接至环路滤波器110，并且可用来依据数字反馈信号D1产生模拟反馈信号Afb(例如不同的数字码可分别对应于不同的反馈电荷/电流/电压，而数字模拟转换器140可依据数字反馈信号D1的数字码输出对应的反馈电荷/电流/电压)。
数字模拟转换器140可包含复数个数字模拟转换单元(例如2N个数字模拟转换单元)。在本实施例中，解码器150可对数字反馈信号D1进行二进制码至温度计码(binary-to-thermometer)转换，以将用二进制码表示的数字反馈信号D1转换为用温度计码表示的数字反馈信号D2。详细来说，用温度计码表示的数字反馈信号D2可包含2N个比特，而该2N个比特分别对应于该2N个数字模拟转换单元，例如数字模拟转换器140可依据该2N个比特的每一者的逻辑值来控制对应的数字模拟转换单元。实作上，该复数个数字模拟转换单元提供的反馈信号量并非完全一致。为了避免上述数字模拟转换单元的不匹配的现象导致在一信号频带内出现谐波音调(harmonic tone)，数据加权平均逻辑电路160可对数字反馈信号D2进行逻辑运算以产生数字反馈信号D2’，以使得因为元件不匹配而产生的谐波音调的功率被平均地打散至多个频率(例如通过使得各个数字模拟转换单元具有大致相同的被使用频率)。本领域中具通常知识者可依据上述说明理解图1所示的解码器150与数据加权平均逻辑电路160的实施细节，为简明起见在此不赘述。
在图1的实施例中，积分三角模拟数字转换器10是以超取样的方式操作，例如积分三角模拟数字转换器10的操作频率(对模拟输入信号Ain进行取样的取样率)是该信号频带的频宽的两倍以上。如图1所示，依序由环路滤波器110、N比特量化器120、N比特加法器130、解码器150、数据加权平均逻辑电路160以及数字模拟转换器140所构成的信号路径形成了一负反馈回路。在上述超取样及负反馈的操作下，积分三角模拟数字转换器10可通过反复地修正模拟反馈信号Afb与模拟输入信号Ain之间的误差，以将模拟输入信号Ain转换为数字输出信号Dout。当模拟输入信号Ain极小或完全为零(例如模拟输入信号Ain为一固定的直流电压电平)时，若数字抖动信号Dn为零(例如暂时关闭数字信号处理电路170)，数字输出信号Dout的数值可在不进行任何改变的情况下往后传递(即数字反馈信号D1等于数字输出信号Dout)，而此时的数字输出信号Dout会呈现周期性。尤其，当模拟输入信号Ain的该固定的直流电压电平落在直流区间时，可能导致负反馈的过程呈现较长循环的周期性，进而产生较低频的音调(例如上述闲置音调)。
相较之下，当数字信号处理电路170提供非零的数字抖动信号Dn以打破负反馈中的周期性时(或是将此周期性推至高频诸如信号频带外)，即可避免闲置音调出现在信号频带内。为了避免数字抖动信号Dn严重地影响积分三角模拟数字转换器10的信号噪声比(Signal-to-noise ratio,SNR)，数字抖动信号Dn在该信号频带内的功率需被妥善地设计。在本实施例中，数字信号处理电路170可依据抖动数据Dm产生数字抖动信号Dn。例如，抖动数据Dm可为M比特抖动数据，以及数字信号处理电路170可对该M比特抖动数据进行处理以产生N比特抖动数据以作为数字抖动信号Dn，其中M为大于N的正整数。在某些实施例中，抖动数据Dm可通过一随机数产生器来产生，而数字信号处理电路170可对抖动数据Dm进行M比特至N比特的转换，并且通过数字信号处理(例如积分三角调制或高通滤波)使得数字抖动信号Dn在该信号频带内的功率(可视为积分三角模拟数字转换器10的该信号频带内的噪声电平)低于该数字抖动信号在该信号频带外的功率(可视为积分三角模拟数字转换器10的该信号频带外的噪声电平)。
在某些实施例中，数字抖动信号Dn可包含在积分三角模拟数字转换器10的该信号频带以外的频带外(out-band)音调信号。例如，抖动数据Dm可为一高解析度的单音调信号，其中此单音调信号的频率是位于该信号频带的外部。数字信号处理电路170可通过其内部的数字信号处理(例如积分三角调制)以在进行M比特至N比特的转换时尽可能地抑制该信号频带内的功率，以确保该信号频带内的噪声电平不会因为数字抖动信号Dn而大幅增加。
由于抖动数据Dm及数字抖动信号Dn都是在数字域(digital domain)进行处理来得到，且抖动数据Dm可利用较高的比特数(例如M比特)来精确地控制其衍生的噪声总功率，因此数字抖动信号Dn在各频带内的功率(在积分三角模拟数字转换器10的整体***内的噪声总功率)可被精确地控制，以确保积分三角模拟数字转换器10的信号噪声比不会因为数字抖动信号Dn而严重地衰退。
图2为依据本发明一实施例的一种用来消除一积分三角模拟数字转换器(例如图1所示的积分三角模拟数字转换器，故图2中所提及电路的耦接及信号传递关系亦可参照图1的配置)的闲置音调的方法的工作流程。需注意的是，图2所示的工作流程只是为了说明之目的，并非对本发明的限制。若能得到相同的结果，一或多个步骤可在图2所示的工作流程中被新增、删除或修改，且这些步骤并非必须完全依照图2所示的顺序执行。
在步骤S210中，该积分三角模拟数字转换器可利用其内的一环路滤波器对一模拟输入信号与一模拟反馈信号之间的差值进行滤波以产生一滤波后信号。
在步骤S220中，该积分三角模拟数字转换器可利用其内的一量化器依据该滤波后信号产生一数字输出信号。
在步骤S230中，该积分三角模拟数字转换器可利用其内的一加法器将该数字输出信号加上一数字抖动信号以产生一数字反馈信号。
在步骤S240中，该积分三角模拟数字转换器可利用其内的一数字模拟转换器依据该数字反馈信号产生该模拟反馈信号。
总结来说，本发明的实施例通过在积分三角模拟数字转换器10的数字域加入抖动信号，以使得与该抖动信号相关的控制都能以数字的方式来进行。相较于在整体***的模拟域(analog domain)诸如环路滤波器110的输入端或是N比特量化器120的输入端加入抖动信号，本发明的实施例不需额外地设计高规格的数字模拟转换器以用来在模拟域加入抖动信号，本发明也较不容易因为额外加入了抖动信号而牺牲整体***的输入动态范围。此外，本发明的实施例在各种制程变异的状况下都能妥善地发挥功效，因此不需因应制程变异进行额外的调整。因此，本发明能在没有副作用或较不会带来副作用的情况下避免闲置音调的出现，从而解决相关技术的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【符号说明】
10：积分三角模拟数字转换器
110：环路滤波器
120：N比特量化器
130：N比特加法器
140：数字模拟转换器
150：解码器
160：数据加权平均逻辑电路
170：数字信号处理电路
Ain：模拟输入信号
Aft：滤波后信号
Afb：模拟反馈信号
Dout：数字输出信号
D1、D2、D2’：数字反馈信号
Dn：数字抖动信号
Dm：抖动数据
S210～S240：步骤
Claims (10)
1.一种积分三角(Sigma-delta)模拟数字转换器，包含：
一环路滤波器，用来对一模拟输入信号与一模拟反馈信号之间的一差值进行滤波以产生一滤波后信号；
一量化器，耦接至所述环路滤波器，用来依据所述滤波后信号产生一数字输出信号；
一加法器，耦接至所述量化器，用来将所述数字输出信号加上一数字抖动(dithering)信号以产生一数字反馈信号；以及
一数字模拟转换器，耦接至所述环路滤波器，用来依据所述数字反馈信号产生所述模拟反馈信号。
2.根据权利要求1所述的积分三角模拟数字转换器，其中所述数字抖动信号在一信号频带内的功率低于所述数字抖动信号在所述信号频带外的功率。
3.根据权利要求1所述的积分三角模拟数字转换器，其中所述数字抖动信号包含在所述积分三角模拟数字转换器的信号频带以外的频带外(out-band)音调信号。
4.根据权利要求1所述的积分三角模拟数字转换器，其中所述量化器为一个N比特量化器，所述加法器为一个N比特加法器，以及N为一正整数。
5.根据权利要求4所述的积分三角模拟数字转换器，还包含：
一数字信号处理电路，耦接至所述加法器，用来对M比特抖动数据进行处理以产生N比特抖动数据以作为所述数字抖动信号，其中M为大于N的一正整数。
6.一种用来消除一积分三角模拟数字转换器的闲置音调(idle tone)的方法，包含：
利用所述积分三角模拟数字转换器的一环路滤波器对一模拟输入信号与一模拟反馈信号之间的一差值进行滤波以产生一滤波后信号；
利用所述积分三角模拟数字转换器的一量化器依据所述滤波后信号产生一数字输出信号；
利用所述积分三角模拟数字转换器的一加法器将所述数字输出信号加上一数字抖动(dithering)信号以产生一数字反馈信号；以及
利用所述积分三角模拟数字转换器的一数字模拟转换器依据所述数字反馈信号产生所述模拟反馈信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述数字抖动信号在一信号频带内的功率低于所述数字抖动信号在所述信号频带外的功率。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述数字抖动信号包含在所述积分三角模拟数字转换器的信号频带以外的频带外(out-band)音调信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述量化器为一个N比特量化器，所述加法器为一个N比特加法器，以及N为一正整数。
10.根据权利要求9所述的方法，还包含：
利用一数字信号处理电路对M比特抖动数据进行处理以产生N比特抖动数据以作为所述数字抖动信号，其中M为大于N的一正整数。
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