混合式數字模擬轉換器與其方法
2023-10-06 14:12:24
混合式數字模擬轉換器與其方法
【專利摘要】本發明公開了一種混合式數字模擬轉換器與其方法，混合式數字模擬轉換器包括：一數據處理器，將一輸入數位訊號處理為一第一數位訊號及一第二數位訊號，或將該輸入數位訊號處理為該第二數位訊號，其中，該第一數位訊號與該第二數位訊號分別有關於該輸入數位訊號的一高位元部分與一低位元部分；至少一第一類型數字模擬轉換器，如果該數據處理器輸出該第一數位訊號給該第一類型數字模擬轉換器的話，該第一類型數字模擬轉換器轉換該第一數位訊號；至少一第二類型數字模擬轉換器，用以接收並轉換該第二數位訊號；以及一輸出電路，接收該第一類型與該第二類型數字模擬轉換器的輸出信號以輸出一輸出模擬信號。
【專利說明】混合式數字模擬轉換器與其方法
【技術領域】
[0001]本發明是有關於一種混合式數字模擬轉換器與其方法。
【背景技術】
[0002]數字模擬轉換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)在現今電子系統/通信系統中扮演重要角色，DAC的好壞大大地影響到電子系統/通信系統的整體表現。
[0003]DAC要處理電壓擺幅較大數位訊號，但也得要處理小信號。然而，以現今常用DAC而言，在處理大擺幅數位訊號時，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。
[0004]故而，需提出一種混合式數字模擬轉換器，其能兼顧上述的議題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種混合式數字模擬轉換器，其能兼顧在處理大擺幅數位訊號時的「非線性失真」問題和在處理小信號時的「功率消耗」及「電路面積」的問題。
[0006]本發明實施例有關於一種混合式數字模擬轉換器與其方法。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)數字模擬轉換器來處理。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)數字模擬轉換器來處理。
[0007]根據本揭示的一示範性實施例，提出一種混合式數字模擬轉換器，包括:一數據處理器，將一輸入數位訊號處理為一第一數位訊號及一第二數位訊號，或將該輸入數位訊號處理為該第二數位訊號，其中，該第一數位訊號與該第二數位訊號分別有關於該輸入數位訊號的一高位元部分與一低位元部分；至少一第一類型數字模擬轉換器，耦接至該數據處理器，如果該數據處理器輸出該第一數位訊號給該第一類型數字模擬轉換器的話，該第一類型數字模擬轉換器轉換該數據處理器所產生的該第一數位訊號；至少一第二類型數字模擬轉換器，耦接至該數據處理器，用以接收並轉換該數據處理器所產生的該第二數位訊號；以及一輸出電路，耦接至該第一類型與該第二類型數字模擬轉換器，接收該第一類型與該第二類型數字模擬轉換器的輸出信號以輸出一輸出模擬信號。
[0008]根據本揭示的另一示範性實施例，提出一種混合式數字模擬轉換方法，包括下述步驟:(a)將一輸入數位訊號處理為一第一數位訊號及一第二數位訊號，或將該輸入數位訊號處理為該第二數位訊號，其中，該第一數位訊號與該第二數位訊號分別有關於該輸入數位訊號的一高位元部分與一低位元部分；(b)如果步驟(a)得到該第一數位信號的話，對該第一數位訊號進行一第一類型數字模擬轉換；(C)對該第二數位訊號進行一第二類型數字模擬轉換；(d)接收該第一類型與該第二類型數字模擬轉換的輸出信號以輸出一輸出模擬信號。
[0009]為了對本案的上述及其他方面有更佳的了解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下:【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1顯示根據本揭示實施例的混合式數字模擬轉換器100的方塊示意圖。
[0011]圖2顯示本揭示實施例的數據處理器110的功能方塊圖。
[0012]其中，附圖標記說明如下:
[0013]100:混合式數字模擬轉換器
[0014]110:數據處理器
[0015]120:電流導引式數字模擬轉換器
[0016]121:切換電流單元
[0017]130:切換電容式數字模擬轉換器
[0018]131:切換電容單元
[0019]0P:運算放大器
[0020]Rf:電阻 CF、Cs:電容
[0021]210: 二進位至熱碼解碼器
[0022]220:積分三角調變器
[0023]230,240:數據權重平均單元
【具體實施方式】
[0024]本揭示實施例所提出的混合式數字模擬轉換器包括多種不同類型的數字模擬轉換器，比如但不受限於電流導引式(current steering)數字模擬轉換器與切換電容式(switch capacitance)數字模擬轉換器。於處理大數位訊號時，利用切換電容式數字模擬轉換器來處理大信號，如此可以達到高線性度的優點。於處理小數位訊號時，則以電流導引式數字模擬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。
[0025]現請參考圖1，其顯示根據本揭示實施例的混合式數字模擬轉換器100的方塊示意圖。如圖1所示，混合式數字模擬轉換器100包括:數據處理器110、電流導引式數字模擬轉換器120、切換電容式數字模擬轉換器130、運算放大器0P、多個電阻Rf與多個電容CF。Vcm為共模電壓，Vo+與No-則為數字模擬轉換器的輸出。運算放大器0P、多個電阻Rf與多個電容Cf亦可稱為輸出電路。電流導引式數字模擬轉換器120包括多個切換電流單元121 ；而切換電容式數字模擬轉換器130包括多個切換電容單元131。
[0026]於圖1中，混合式數字模擬轉換器100是以全差動混合式數字模擬轉換器為例做說明，但當知本案並不受限於此。本案其他可能實施例的混合式數字模擬轉換器亦可以單端(single end)混合式數字模擬轉換器來實現。本領域技術人員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字模擬轉換器以單端混合式數字模擬轉換器來實現之，此皆在本案精神範圍內。
[0027]數據處理器110用以將輸入數位訊號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。數據處理器110如何將輸入數位訊號IN處理成高位元群組M與低位元群組N將於下面描述之。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。位元群組M、Mb、N與Nb在本實施例中皆為數位訊號。
[0028]電流導引式數字模擬轉換器120將由數據處理器所傳來的低位元群組N與Nb進行數字模擬轉換。一般而言，電流導引式數字模擬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，所以電流導引式數字模擬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，在高信噪比(測量信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噪音(Flicker noise)。電流導引式數字模擬轉換器120的電路頻寬為
[0029]1/[2 (1/RF*CF)]。
[0030]切換電容式數字模擬轉換器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。但在高信噪比的應用下，切換電容式數字模擬轉換器130的電路面積成本仍大。這是因為熱噪音(KT/C noise)與切換電容式數字模擬轉換器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噪音。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，切換電容式數字模擬轉換器130的頻寬為k*(Cs/CF)*Fs(k為常數，FS為取樣頻率)。
[0031]故而，於本揭示實施例中，在處理大信號時，主要由切換電容式數字模擬轉換器130來處理大信號。這是因為，切換電容式數字模擬轉換器130的電容對電壓靈敏度較低，如此以達到高線性度的需求。於本揭示實施例中，在處理小信號時(比如，在小信號模式下測量信噪比)，主要以電流導引式數字模擬轉換器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。
[0032]電容Cf則是可當成低通濾波器，其跨接於運算放大器OP的輸入端與輸出端之間。
[0033]現將說明本揭示實施例的數據處理器110的架構與其操作原則。請參考圖2，其顯示本揭示實施例的數據處理器110的功能方塊圖。圖2顯示的數據處理器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。本揭示實施例的數據處理器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,及數據權重平均(Data Weighted Averaging (DffA))單元230與240。
[0034]在此以輸入數位訊號IN為24位元的2進位數字數據為例做說明。首先，數據處理器將24位元的輸入數位訊號分割為2部分，一部分為6位元(其為高位元)的數位訊號U，另一部分為18位元(其為低位元)的數位訊號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訊號，且輸入數位訊號可有其他可能分割方式。
[0035]6位元的數位訊號U被二進位至熱碼解碼器210解碼為熱碼(thermometer code)Tl，在此以熱碼Tl包括0-63位階(level)為例做說明，但當知本案並不受限於此。二進位至熱碼解碼的細節在此可不特別限定之。當知，熱碼Tl所包括位階數量並不受限於此。此夕卜，電流導引式數字模擬轉換器120所包括的切換電流單元121的數量可相同或相關於熱碼Tl所包括的位階數量。
[0036]18位元的數位訊號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。積分三角調變的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，切換電容式數字模擬轉換器130所包括的切換電容單元131的數量可相同或相關於熱碼T2所包括的位階數量。
[0037]熱碼Tl與T2分別被數據權重平均單元230與240進行數據權重平均，以產生高位元群組(M與Mb)與低位元群組(N與Nb)。至於如何進行數據權重平均，在此可不加以限定。於進行數據權重平均後，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。
[0038]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，以使得本揭示實施例的混合式數字模擬轉換器具有較佳的線性度。
[0039]此外，低位元群組(N與Nb)的I個位階所對應的轉換後電壓相等於高位元群組(M與Mb)的I個位階所對應的轉換後電壓。
[0040]本案實施例的混合式數字模擬轉換器在進行數字模擬轉換時，如決定輸入信號屬小信號，則對信號N進行數字模擬轉換，或如決定輸入信號屬大信號，則對信號M與N兩者進行數字模擬轉換。
[0041]現將詳細說明之。假如數據處理器110判斷出輸入數位訊號IN大於一臨界值的話，(比如，輸入數位訊號IN具有24位元，則此臨界值可設定為000000111111111111111111)，亦即數據處理器110判斷此輸入數位訊號IN為大信號，則數據處理器Iio將信號M與Mb輸出至切換電容式數字模擬轉換器130，由切換電容式數字模擬轉換器130對信號M與Mb進行數字模擬轉換；在此情況下，數據處理器110將信號N與Nb送至電流導引式數字模擬轉換器120。
[0042]相反地，假如數據處理器110判斷輸入數位訊號IN小於或等於此臨界值的話，亦即數據處理器Iio判斷此輸入數位訊號IN為小信號，則數據處理器110將信號N與Nb輸出至電流導引式數字模擬轉換器120，由電流導引式數字模擬轉換器120對信號N與Nb進行數字模擬轉換；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,故而數據處理器110並不會將信號M與Mb送至切換電容式數字模擬轉換器130。
[0043]在上述例子中，如果數據處理器110判斷輸入數位訊號IN小於或等於此臨界值的話，則輸入數位訊號IN為小信號；數據處理器110判斷輸入數位訊號IN大於此臨界值的話，則輸入數位訊號IN為大信號。在本案其他可能實施例中，亦可，如果數據處理器110判斷輸入數位訊號IN小於此臨界值的話，則輸入數位訊號IN為小信號；數據處理器110判斷輸入數位訊號IN大於或等於此臨界值的話，則輸入數位訊號IN為大信號。
[0044]數據處理器110依據信號N與Nb來控制電流導引式數字模擬轉換器120的多個切換電流單元121。詳言之，數據處理器110依據信號N與Nb來控制電流導引式數字模擬轉換器120的多個切換電流單元121的內部開關的切換。相似地，數據處理器110依據信號M與Mb來控制切換電容式數字模擬轉換器130的多個切換電容單元131。詳言之，數據處理器110依據信號M與Mb來控制切換電容式數字模擬轉換器130的多個切換電容單元131的內部開關的切換。
[0045]本案實施例的混合式數字模擬轉換器可應用於具有DAC的任何電子系統當中，比如但不受限於，具有DAC的模擬數字轉換器(ADC)、通信系統當中等。
[0046]綜上所述，雖然本案已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本案。本案所屬【技術領域】中技術人員，在不脫離本案的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本案的保護範圍當視所附的申請專利權利要求範圍所界定者為準。
【權利要求】
1.一種混合式數字模擬轉換器,包括: 一數據處理器，將一輸入數位訊號處理為一第一數位訊號及一第二數位訊號，或將該輸入數位訊號處理為該第二數位訊號，其中，該第一數位訊號與該第二數位訊號分別有關於該輸入數位訊號的一高位元部分與一低位元部分； 至少一第一類型數字模擬轉換器，耦接至該數據處理器，如果該數據處理器輸出該第一數位訊號給該第一類型數字模擬轉換器的話，該第一類型數字模擬轉換器轉換該第一數位訊號; 至少一第二類型數字模擬轉換器，耦接至該數據處理器，用以接收並轉換該數據處理器所產生的該第二數位訊號；以及 一輸出電路，耦接至該第一類型與該第二類型數字模擬轉換器，接收該第一類型與該第二類型數字模擬轉換器的輸出信號以輸出一輸出模擬信號。
2.如權利要求1所述的混合式數字模擬轉換器，其中， 該數據處理器根據一臨界值，來將該輸入數位訊號處理為該第一數位訊號及該第二數位訊號，或者將該輸入數位訊號輸出為該第二數位訊號。
3.如權利要求1所述的混合式數字模擬轉換器，其中， 該第一類型數字模擬轉換器包括一切換電容式數字模擬轉換器，其包括多個切換電容單元；以及 該第二類型數字模擬轉換器包括一電流導引式數字模擬轉換器，其包括多個切換電流單元。
4.如權利要求3所述的混合式數字模擬轉換器，其中， 該數據處理器依據該第一數位訊號來控制該切換電容式數字模擬轉換器的多個切換電容單元；以及 該數據處理器依據該第二數位訊號來控制該電流導引式數字模擬轉換器的多個切換電流單元。
5.如權利要求2所述的混合式數字模擬轉換器，其中， 如果該數據處理器判斷該輸入數位訊號小於或等於該臨界值的話，該數據處理器將該第二數位訊號輸出至該第二類型數字模擬轉換器但不將該第一數位訊號輸出至該第一類型數字模擬轉換器。
6.如權利要求3所述的混合式數字模擬轉換器，其中，該數據處理器包括: 一二進位至熱碼解碼器，將該輸入數位訊號的該高位元部分解碼為一第一熱碼，該第一熱碼具有一第一階數； 一積分三角調變器，將該輸入數位訊號的該低位元部分解碼為一第二熱碼，該第二熱碼具有一第二階數；以及 多個數據權重平均單元，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數據權重平均，以產生該第一數位訊號與該第二數位訊號。
7.如權利要求6所述的混合式數字模擬轉換器，其中， 多個切換電容單元的數量與該第一熱碼的該第一階數相同；以及 多個切換電流單元的數量與該第二熱碼的該第二階數相同。
8.一種混合式數字模擬轉換方法，包括如下步驟:(a)將一輸入數位訊號處理為一第一數位訊號及一第二數位訊號，或將該輸入數位訊號處理為該第二數位訊號，其中，該第一數位訊號與該第二數位訊號分別有關於該輸入數位訊號的一高位元部分與一低位元部分，； (b)如果步驟(a)得到該第一數位信號的話，對該第一數位訊號進行一第一類型數字模擬轉換； (C)對該第二數位訊號進行一第二類型數字模擬轉換；以及 (d)接收該第一類型與該第二類型數字模擬轉換的輸出信號以輸出一輸出模擬信號。
9.如權利要求8所述的混合式數字模擬轉換方法，其中，於步驟(a)中， 根據一臨界值，來將該輸入數位訊號處理為該第一數位訊號及該第二數位訊號，或者將該輸入數位訊號輸出為該第二數位訊號。
10.如權利要求8所述的混合式數字模擬轉換方法，其中， 以包括多個切換電容單元的一切換電容式數字模擬轉換器來執行步驟(b);以及 以包括多個切換電流單元的一電流導引式數字模擬轉換器來執行步驟(C)。
11.如權利要求10所述的混合式數字模擬轉換方法，其中， 依據該第一數位訊號來控制該切換電容式數字模擬轉換器的多個切換電容單元；以及 依據該第二數位訊號來控制該電流導引式數字模擬轉換器的多個切換電流單元。
12.如權利要求9所述的混合式數字模擬轉換方法，其中， 如果判斷該輸入數位訊號小於或等於該臨界值的話，則對該第二數位訊號執行步驟(C)但不對該第一數位訊號執行步驟(b)。
13.如權利要求10所述的混合式數字模擬轉換方法，其中， 將該輸入數位訊號的該高位元部分解碼為一第一熱碼，該第一熱碼具有一第一階數； 將該輸入數位訊號的該低位元部分解碼為一第二熱碼，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數據權重平均，以產生該第一數位訊號與該第二數位訊號。
14.如權利要求13所述的混合式數字模擬轉換方法，其中， 多個切換電容單元的數量該第一熱碼的該第一階數相同；以及 多個切換電流單元的數量該第二熱碼的該第二階數相同。
【文檔編號】H03M1/66GK103905050SQ201210575471
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月25日 優先權日:2012年12月25日
【發明者】江明澄, 高立龍 申請人:瑞昱半導體股份有限公司