自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構及其實現方法與流程

2023-10-11 04:13:04 1

本發明系關於一種三角積分調製器架構及其實現方法，特別是一種結合低功耗表現與延伸動態範圍的三角積分調製器架構及其實現方法。

背景技術：

近年來隨著集成電路設計與製程技術演進，三角積分調製器(Sigma-delta modulators)的應用範疇大幅增加，從音頻信號處理的電路如隨身聽、音響、醫療用的助聽器到生醫儀器如心電信號量測儀器上都可以看到三角積分調製器的應用。同時，集成電路設計的演進不但講求高效率，更要求低成本、低功耗，因此如何完善的設計出符合需求的產品也是設計者的重要考慮。

在現今的技術中，大多只能為電路做單一功能的提升，例如在增加動態範圍時常用的設計方法為使用多重反饋(Multiple Feedback)架構並結合前饋路徑(Feedforward Path)與級間反饋(Local Feedback)，因此會大大增加電路面積與功率消耗。另外在傳統動態範圍延長的設計技術中多是針對量化器去做新設計，又或者根據特定的需求去重新設計硬體並訂定架構，然而這樣一來在設計過程中往往會耗費大量時間而間接提高了設計成本。

因此，如何提出一種新的三角積分調製器架構及其實現方法以克服上述現有技術中為增加三角積分調製器動態範圍而使電路面積大幅增加、功耗增加，抑或根據特定需求重新設計硬體而使設計時間和成本增加等諸多缺失，實已成為目前業界亟待解決的課題。

技術實現要素：

鑑於上述現有技術的問題，本發明的目的在於提供一種自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構及其低功耗電路實現方法與自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法，其能有效延伸動態範圍且符合低功耗要求的。

本發明的另一目的在於提供一種自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構及其低功耗電路實現方法與自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法，其架構精簡，能達到降低集成電路設計面積的要求，進而降低電路設計成本。

本發明的再一目的在於提供一種自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構及其低功耗電路實現方法與自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法，其架構引入動態校正的特徵，以免去前級放大器的設計，進而降低模擬信號處理系統的設計成本。

為達上述及其他目的，本發明提供一種自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構，其包括：三角積分調製單元，以三角積分調製方式轉換模擬信號及數位訊號；積分器單元，利用連續三角積分架構算法推算的係數進行信號處理；以及自動更正單元，根據所述三角積分調製單元中的系統輸出信號強度，用以比對所述三角積分調製單元中的系統輸入信號規格以找出多組動態範圍曲線，並依該些動態範圍曲線擷取出多組前饋係數與系統階數的組合，以延伸所述三角積分調製單元中的系統的動態範圍。

本發明的自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構中的自動更正單元採用數字電路架構設計，其包括：數位訊號處理器，對所述三角積分調製單元的系統輸出信號進行濾除噪聲處理，並監控所述系統輸出信號強度；計數器與緩存器陣列，所述計數器用於計算接受所述數位訊號處理器的所傳信號與輸出緩存器陣列儲存值的時間，緩存器陣列儲存所述數位訊號處理器所傳的信號值；比較器，用於將所述緩存器陣列輸出的信號值與系統參考信號值進行比較，輸出數字碼；數字係數控制器，接收所述數字碼，用於切換前饋增益調控單元與系統階數調控單元以調整多組前饋係數與系統階數；前饋增益調控單元與系統階數調控單元，用於接受所述數字係數控制器的操作，透過系統階數與不同前饋係數的組合，延伸系統動態範圍；以及積分器調控單元，用於動態調整所述積分器單元的電路係數，進而對系統功耗進行控制。

於本發明中，所述前饋增益控制單元儲存有多組前饋係數，當所述輸出的信號值較參考信號值所發生的改變超出預設值時，所述數字係數控制器觸發所述前饋增益控制單元將當前所使用之前饋係數切換成另一組前饋係數，或者觸發所述系統階數調控單元將當前所使用的系統階數切換成另一個系統階數。

本發明的自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構中的自動更正單元系動態監測所述系統輸出信號強度，當所述系統輸出信號強度改變，透過所述自動更正單元降低或提升系統階數，以節省系統功耗。

所述積分器單元中各級積分器架構採用連續時間轉導電容式放大器作為設計基礎進行架構，並搭配超取樣(Oversampling)技術與噪聲整形(Noise Shaping)技術。

本發明自動更正動態範圍的三角積分調製器架構的自動更正單元中的計數器與緩存器陣列，所述計數器控制每過一段時間則進行所述數位訊號處理器單元的輸出值儲存，當所述計數器計算到一預設周期時，則將所述緩存器所存的輸出峰值送至所述比較器進行比較。

本發明還提出一種自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法，包括：藉由動態延伸算法將系統輸出信號與系統輸入信號進行比較以及算出多組動態範圍曲線，並依此擷取出 適合的系統階數與前饋係數的組合進行儲存；系統輸入一預設信號並給予一組系統階數與前饋係數進行系統電路調整與初始化；動態監測三角積分調製器輸出信號強度，當所述輸出信號強度變化不超過一預設值時，則保持初始前饋係數與系統階數，否則進行前饋係數、系統階數切換，直至系統穩定並達到功耗/效能平衡。

本發明的自動更正且延伸三角積分器動態範圍的方法，當進行前饋係數、系統階數切換時，優先進行前饋係數切換，直至所儲存的所有前饋係數使用完畢系統還未達到效能/功耗平衡時，方執行系統階數切換。

本發明的自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法所利用的動態延伸算法透過數字電路實現，所述數字電路包括數位訊號處理器、計數器與緩存器陣列、比較器、數字係數控制器、前饋增益調控單元與系統階數調控單元以及積分器調控單元。

更進一步地，本發明自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法，可根據所述輸出信號強度大小，進行系統階數切換，以達到降低或提升系統階數。

在上述本發明三角積分調製器基礎上，還提出所述自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構的低功耗電路實現方法，包括：檢測該三角積分調製器系統輸出信號，並確認所述輸出信號質量是否符合設定規格，若符合則維持使用所記錄的系統係數；若不符合則記錄當前系統係數，並調整該三角積分調製器架構中的各級積分器增益；以及檢測調整後的系統輸出信號，並再次確認所述系統輸出信號質量是否符合設定規格，如符合則維持使用所記錄的系統係數；若不符合則執行上述記錄當前系統係數並繼續調整系統各級積分器增益的步驟，直到該系統輸出信號的質量符合設定規格。

由上述說明可知，三角積分調製器架構中自動更正單元的設計機制引入了寬動態延伸算法的概念，此算法會檢驗三角積分調製器架構系統輸出的信號的規格及其頻域分布範圍，並比對欲達成的規格與本身的系統設計，依此產生多組動態範圍曲線。並由適用於系統的動態範圍曲線擷取出可組合之前饋係數組合與系統架構階數。此算法的特點在於對系統進行校正時不會影響到該系統的穩定度，即透過改變前饋係數只會改變信號轉移函式的零點，信號轉移函式的極點，亦即量化噪聲轉移函數的極點並不會受到影響。因此在保有系統穩定度的情況下，本發明能針對系統不同的輸出信號強度進行自動更正進而優化地延伸該系統的效能。而自動更正單元中的數位訊號處理器會在系統運作時偵測系統的輸出信號強度並送至計數器與緩存器陣列，由計數器與緩存器對輸出信號在一時間周期內進行採樣處理，並將該周期內的採用最大值(即輸出峰值)輸出給比較器進而輸出的數字碼控制數字係數控制器單元與系統階數調控單元，使得數字係數控制器單元調整系統階數或對前饋增益調控單元進行操作引 入新產生之前饋係數將原本之前饋係數取代掉，進而達到自動調製前饋係數並延伸動態範圍的目的。

另一方面，本發明採用了可調式的三角積分調製器架構，對系統的效能平衡觀點有更深一層的考慮。在寬動態延伸算法中，透過調整架構與前饋係數來達成輸出高解析度的要求，而引入可調式的系統架構的應用情境為，當系統輸出信號強度夠大時則沒有使用高階三角積分調製單元進行模擬數字轉換的必要性，亦即使用低階架構可以有效減少系統的功率消耗；反的，當輸出信號強度較弱時則進行階數提升以提升系統表現。因此本發明注重於整體效能的表現，特別是著重於擁有良好的信號解析度與低功耗設計技術。

此外，本發明在系統低功耗實現上，除了採用上述自動更正單元來切換系統階數與前饋係數外，還提出可編程(Programmable)的放大器(即可編程的三角積分調製器)，透過一電路算法，能將電路中的非理想效應納入考慮；而透過建立電路規格與非理想效應整合的模擬環境能夠較精準的獲得係數與效能、功耗對應的模型，在自動更正單元切換電路規格時能使系統效能優化達到低功耗而兼具效能的表現。

以下將藉由具體實施例搭配所附的圖式詳加說明，當更容易了解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。

附圖說明

圖1A及圖1B為本發明自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構執行三角積分器架構設計算法與自動更正延伸動態範圍的流程示意圖。

圖2為本發明的自動更正動態範圍的三角積分調製器架構方塊圖。

圖3為本發明自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法中進行信號質量的再確認處理的流程圖。

圖4用以說明應用本發明自動更正且延伸三角積分調製器動態範圍的方法於三角積分調製器內建的放大器電路實現方法流程圖。

組件標號說明

201 減法器

202 積分器單元

203 放大器

204 加法器與量化器

205 數字至模擬轉換器

206 數位訊號處理器

207 計數器與緩存器陣列

208 比較器

209 數字係數控制器

210 前饋增益調控單元

211 積分器調控單元

212 系統階數調控單元

G1～Gn 交換電容式積分器

S1～Sn 開關

S101～S117 步驟

S301～S305 步驟

S401～S408 步驟

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

本發明提供了一種新型的三角積分調製器架構與其實現方法，特別是針對系統架構的初始化與當輸出信號強度發生變動時電路能做出相對應調整的高效能算法，其作法為透過一自動更正單元執行一動態延伸算法去搜尋多條的動態範圍曲線，並比對系統的設計規格以獲得三角積分調製器所需之前饋係數與系統階數。當輸出信號強度發生改變時再透過系統架構內新增的自動更正單元來自動更正三角積分調製器之前饋係數與系統階數並以此延伸三角積分調製單元的動態範圍，進而改善系統效能。

首先，如圖1A及圖1B所示，其為本發明自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構中自動更正單元(該自動更正單元請容後說明於下述圖2中)所使用的動態範圍延伸算法進 行三角積分器動態範圍延伸的流程示意圖，此方法流程包含兩個階段分別為系統初始化與建立前饋係數數組階段(如圖1A所示)以及系統開始運作後的操作階段(如圖1B所示)，步驟S101為生理電信號規格，步驟S102為電路設計規格與要求輸入，步驟S103為利用系統行為模擬與設計規格進行比對，步驟S104為生成N組係數數組與多組寬動態曲線，步驟S105針對預設輸入信號給予一組適當的系統階數與前饋係數初始化系統；接著在系統開始運作後的操作階段，步驟S106為系統穩定維持原始前饋係數，步驟S107為判斷本發明的三角積分調製器的系統輸出信號強度是否改變，當所述輸出信號強度改變超過s dB(s的值可透過系統行為模擬制定)，步驟S108透過系統行為模擬結果比對信號強度，步驟S109為依照系統行為模擬並校正動態範圍，步驟S110為從N組前饋係數挑選可用係數，步驟S111為修正系統前饋係數，步驟S112為判斷修正前饋係數後所述輸出信號是否符合信號處理規格，步驟S113為判斷修正前饋係數後所述三角積分調製器的系統效能與功耗是否達到平衡，步驟S114為修正系統階數，步驟S115為判斷修正系統階數後所述系統輸出信號是否符合信號處理規格，步驟S116為判斷修正系統階數後效能與功耗是否達到平衡。本流程會由自動更正單元不斷監測系統的輸出信號強度，因此隨時保持在運作階段，而步驟S106表示系統處於穩定狀態。

更詳而言之，本發明的上述步驟S101、S102、S103、S104、S105為系統初始化與建立前饋係數的步驟，步驟S101為輸入運用範疇的生理電信號規格，步驟S102為輸入系統與電路設計規格如帶寬與解析度，步驟S103為將步驟S101、步驟S102輸入的規格進行系統行為模擬並與設計規格進行比對，步驟S104利用步驟S103產生的結果生成多組動態範圍曲線並依此生成N組前饋係數，步驟S105為利用已建立的硬體架構在預設信號輸入時給予一組系統階數與前饋係數進行電路的調整與初始化。圖1B所示步驟S106至S117為系統開始運作後的操作階段，步驟S106為當輸出信號強度不變時，則保持初始之前饋係數與系統架構階數，步驟S107當偵測到系統輸出信號強度改變超過s dB時則到下一步驟S108，前述輸出信號可利用如圖2所示的構架以其中的計數器與緩存器陣列207動態檢測輸出信號峰值；如果輸出信號強度不變或改變不超過s dB時則回到步驟S106，以維持初始之前饋係數與系統架構階數，步驟S108為依照系統行為模擬與輸出信號的峰值進行比對，並由步驟S109進行動態範圍的校正以獲得更好的解析度，步驟S110則是挑選經過步驟S104算法所生成的N組前饋係數。

步驟S111為將經過步驟S110所挑選之前饋係數代入系統對系統進行修正，步驟S112為判斷代入前饋係數後的系統是否符合信號處理規格，若不符合則進到步驟S113，若仍有其他可用係數時則繼續代入其他已挑選之前饋係數，如果係數組合使用完畢時則進到步驟S115；若信號符合規格則進到步驟S114，步驟S114為進行效能與功耗的平衡比對，若比對失敗則 回到步驟S111繼續修正系統之前饋係數；若是符合則到步驟S106，以維持系統穩定狀態。步驟S115為可用之前饋係數用盡時系統將會修正系統階數，接著進到步驟S116以判斷修正系統階數後是否符合信號處理規格，如果符合則進到步驟S117進行功耗與效能平衡比對，若不符合則重新回到步驟S111，以挑選其他可用的系統前饋係數，步驟S117進行修正系統階數之後的功耗與效能平衡比對，若符合則到步驟S106保持系統穩定狀態；若不符合則到步驟S111挑選其他可用之前饋係數繼續修改系統的參數。

本發明的系統建立由寬動態延伸算法檢驗系統電路設計要求規格與生理電信號規格而成。生理電信號規格會依據其所分布的電壓範圍在寬動態延伸算法中被轉換成數組參考電壓並建立特定供辨識用的數字碼。而系統電路設計要求規格會經由寬動態延伸算法推算出數組可實現的動態範圍曲線並依此可得出數組前饋係數與系統架構階數的組合。在獲得生理電信號規格所產生的參考電壓與數組前饋係數與系統架構階數的組合後，寬動態延伸算法會將兩者進行比對以擷取出部分可以適用於現在系統架構的參數組合。

本發明的設計在於獲取系統效能的平衡，能以最低限制的功耗滿足系統需求。寬動態延伸算法在系統開始運作時利用自動更正單元動態判斷輸出信號強度是否改變，如果改變則利用自動更正單元內建的計數器與緩存器陣列在一預定的時間周期內周期性採樣系統輸出信號並比較保持該時間周期內最大採樣值並輸出給後續比較器，實現與參考電壓比較並依此生成數字碼控制數字係數控制器，因此能適當地調整前饋係數與系統階數。算法的另一設計在於其效能優化的設定，在追求優化解析度的過程中，須等前饋係數組合皆被用盡之後才會進行系統階數的調整，此為考慮到效能的平衡；反之當信號質量較好時則依據流程調整系統階數與前饋係數以降低功耗，從而使系統達到低功耗而擁有寬動態範圍的設計。

接著，如圖2所示，其為本發明自動更正動態範圍的低功耗三角積分調製器架構，此為一種數字校正架構，由此架構圖可以看出系統輸入信號會進入減法器201，在減法器201中會將輸入信號與經過三角積分調製器處理過的反饋信號相減，並送入並接多級交換電容式積分器(G1、G2、…、Gn)的積分器單元202進行信號處理。在該積分器單元202的每一級交換電容式積分器(G1、G2、…、Gn)輸出會送出到處理各級輸出的放大器203進行信號的增幅，最後送至加法器與量化器204進行信號的迭加與量化取樣。加法器與量化器204的輸出分為二個：一個為送至數位訊號處理器206濾除噪聲後作為系統輸出(作為系統前饋的數位訊號以便自動更正單元在系統運行過程進行動態偵測)，另一個為經由數字至模擬轉換器205作為反饋信號傳回減法器201。前述自動更正單元包括：數位訊號處理器206、計數器與緩存器陣列207、比較器208、數字係數控制器209、前饋增益調控單元210、積分器調控單元211 與系統階數調控單元212。

以上主要為信號處理部分，接下來所述為信號與系統動態範圍自動更正的技術與其架構設計。首先，如上所述，加法器與量化器204的輸出經由數位訊號處理器206信號處理可還原出可供辨識的輸出信號峰值，送至計數器與緩存器陣列207。所述緩存器陣列負責接收數位訊號處理器206的輸出值並由所述計數器控制每過一段時間則進行儲存，間隔時間則可由用戶根據輸入信號自行設定，以獲得最好效率。當計數器計算到一定時間周期時，則將緩存器陣列所存的最大輸出峰值送至比較器208進行比較，比較完之後再將數字碼送至數字係數控制器209進行係數的調控。數字係數控制器209接收所述數字碼進而控制前饋增益調控單元210引入適當的增益，控制系統階數調控單元212進行系統階數切換。其原理為將系統輸入信號輸入前饋增益調控單元210作為基本的信號，並藉由數字係數控制器209賦予輸入信號所需的增益，以及合適的系統階數，藉由前饋係數與系統階數的組合以調整系統的動態範圍。

另外從圖2可見積分器調控單元211，此系與前饋增益調控單元210共同呈現圖1所述的寬動態延伸算法。此積分器調控單元211的操作原理為當系統動態範圍符合輸入信號的需求，且系統仍有空間進行調整時，此積分器調控單元211便會啟動。已知積分器單元202由放大器提供增益而成，而提供足夠的增益需要有電壓、電流的提供，相當於造成功率的消耗，現在當系統輸出足夠大而符合信號處理的需求時，便會影響積分器調控單元211，使的控制積分器單元202以降低輸出的增益，透過降低電壓、電流來降低增益的此種作法，可以從電路階層降低功率消耗來達到整體系統的優化。此處作法不限定於調整電壓、電流或任何可以影響的放大器效能的參數或任何特定的機制，本發明所提出的概念旨在表達透過改變單一單元的功率消耗來達到整體系統的改善。因此，圖2架構所示為本發明的自動更正動態範圍的三角積分調製器架構的一種實現方式，其三角積分調製器的階數可以依據設計需求任意調整至無數多階，以圖2舉例而言，假設現在的階數為三階時，則交換電容式積分器(G1、G2及G3)的開關(S1、S2及S3)需同時開啟，以便完成三階三角積分調製器的信號轉移函數，也就是藉由該系統階數調控單元212來控制與各級的交換電容式積分器(G1～Gn)連接的開關(S1～Sn)進而調整系統的架構階數，而其自我校正單元所述的算法也不限定以此或任何特定電路架構為基礎，任何相近本發明的算法的設計架構皆應涵蓋在本發明的權利要求裡。

再者，本發明的數字校正技術乃基於信號的連續性亦即穩定的輸入信號在一段輸入時間T(時間T為時間間隔，其可由用戶自行設定，根據信號特性設定時間T的大小，以確保校正的正確性)內並不會做劇烈的改變，如此一來可以透過監視信號的輸出來判斷現在系統是否符 合規定的要求，並進行調整。

此外，本發明還提出低功耗與效能用來彌補系統架構不夠彈性的一個電路算法。當積分器外部架構已透過寬動態延伸算法達到系統面所能達成的最高效能之後，電路端的算法會因應信號檢測器檢測系統輸出後自動啟動。如圖3所示，其處理步驟可應用於如圖1所示步驟S114或步驟S117時進行信號質量的再確認。首先，於步驟S301，在算法一開始算法先檢測系統的輸出信號，確保系統輸出信號質量符合規格，此系接續寬動態延伸算法進行信號質量的再確認，當規格符合系統要求之後會進到步驟S302，算法記錄當前係數，並調降各級交換電容式積分器(G1、G2、…、Gn)增益；完成之後會進到步驟S303，算法判斷調整後的信號是否符合規格，如果不符合則回到步驟S302算法進行調整增益的動作；反之如果符合系統的信號最低質量要求，則進到步驟S304算法，以維持使用在步驟S302中算法已記錄的符合信號最低質量規定的係數，最後進入步驟S305，本算法結束。

本算法中步驟S301所提及的確保信號質量符合規格並不限定在特定規格，任意規格皆可由用戶自行設計，故任何類似本算法的信號規格檢測方式皆應包含至本算法中。步驟S302所提及的調降各級交換電容式積分器(G1、G2、…、Gn)增益由使用者自行設定調整的間隔，並不限定於某一個特定值。本算法採用為動態偵測與校正的技術，為達到減少系統與電路功耗的目的，透過不定時間間隔的檢測，以確保本系統能在符合信號質量要求的情況下有最好的功耗效果。以上所述為針對現代電子產品尤其是達到使生醫電子產品對於效能與電源壽命延伸的效果。

本發明另一特點在於建立對系統架構提供效能平衡的輸出，當達到要求規格達到時，則會尋找其他係數階數組合或調整放大器規格係數，以期在同樣效能下能獲得更低功耗的表現。以下揭示為低功耗放大器多組係數規格的建立。首先，如圖4所示，在步驟S401使用者需要輸入欲設計的放大器電路規格以供後續建立非理想效應模型的使用；在步驟S402則是將電路本身的非理想效應引入架構，其中可包含有限帶寬、非線性轉導值、有限單增益帶寬、寄生電容、噪聲等；在步驟S403則是將因為製程限制所造成的非理想效應如係數變異等納入架構模擬的考慮；步驟S404則是建立步驟S402的電路非理想效應與S403與製程非理想效應的非理想效應模型，透過架構的模擬進行電路規格的分析；步驟S405是整合欲設計的電路規格與非理想效應模型，並模擬出電路設計參數分布範圍；步驟S406會分析步驟S405產生的電路係數並透過模擬建立出電路設計參數與效能分布的對應曲線；步驟S407是將電路設計參數帶入整體系統驗證其效能是否符合步驟S406所建立的電路參數與效能分布的對應曲線；接著，如步驟S408，若驗證完成，則表示考慮非理想效應所產生的系統係數對應效能的模型已經建 立，得到數組用於降低功耗的最佳電路規格與其設計參數。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。