1位數－模轉換器電路的製作方法
2023-08-13 08:27:06
專利名稱：1位數－模轉換器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及根據西格馬-德耳塔調製原理的高解析度的數-模轉換器，其可以用在多標準或多載波基本收發站(「軟體廣播」)中。此外如此的轉換器適合於所有技術問題說明，在這些問題說明中1位量化數位訊號必須轉換為模擬信號。
一個如此的1位數-模轉換器的任務在於，把數字的輸入值、也就是-1和+1變換為模擬電壓或電流脈衝。如此的1位數-模轉換器基於一個德耳塔調製，其可以看作不同脈衝代碼調製的特殊情況。在理想情況下，對此應當產生脈衝，該脈衝在變換器的經過一個位的持續時間的過程中是絕對相同的，並且僅僅在極性上有區別。如此的1位數-模轉換器典型應用於DS模-數轉換器(DS-德耳塔西格馬)和DS數-模轉換器的領域。在DS模-數轉換器的情況下，以其對一個有限帶寬的信號進行取樣的頻率被提高到加倍帶寬的多倍，並且取樣值的字寬降低到直至1位。在DS數-模轉換器的相反的情況下，在相應的情況下產生一個1位數據流，並且接著供給一個1位數-模轉換器。在這個數-模轉換器的輸出端上產生一個頻譜，其在關注的頻帶內與數字輸入頻譜一致。
在K.D.Kammeyer「信息傳輸」，B.G.Teubner，斯圖加特1996，ISBN 3-519-16142-7，134及下一頁中例如對此進行了說明。模擬輸出頻譜在關注的頻帶內與數字輸入頻譜一致的前提條件是，對於所有脈衝輸出脈衝的積分在值上是相同的，並且僅僅根據數字輸入值的極性表明一個負的或一個正的符號。這特別意味著，脈衝積分僅僅應該依賴於數字輸入值，不依賴於數字的以前值。對於具有高動態範圍的轉換器，因此本身同樣不必避免正和負脈衝的不對稱，比如前面數據位的最低的副作用，其稱作記憶效應。
從文獻「實現在InP HBT技術中的一個3.2GHz的第二級的德耳塔-西格馬調節器」，IEEE J.的固態電路，US，第30卷第十章，1995年十月，1119-1127頁中公開了一個1位數-模轉換器，其信號單元IDAC從一個開關單元(具有開關信號DAC-輸入的電晶體)上經過一個共射-共基放大器去耦。
從5638011 US中公開了一個1位數-模轉換器，其開關單元Q2經過一個共射-共基放大器從通過Q1形成的信號單元上並且從通過Q3形成的輸出端上去耦。
圖9A、9B和10A、10B指出了1位數-模轉換器的常見電路方案，其例如在Jayaraman及其他人的「使用帶通德耳塔-西格馬調節器的線性高效率的微波功率放大器」，IEEE微波和導波論文，第8卷，第3章，1998年3月，121-123頁，並且在W.Gao和W.M.Snelgrove的「一個950-MHz IF第二級集成IC帶通德耳塔-西格馬調節器」，IEEEJ.固態電路，第33卷，第5章，1998年5月，723-732頁說明。
圖9A指出了一個1位數-模轉換器電路，在該電路中由一個包括由一個不同數字輸入信號DATAP、DATAM控制的開關S1和S2的開關單元把一個由電流脈衝形成單元產生的電流脈衝串或一個恆定電流i連接在一個不同電流輸出端的正的或負的輸出支路OUT1、OUT2上。從圖9B中看出一個按照圖9A的電路的簡化實施形式，在該實施形式中通過二個電晶體T1、T2實現這二個開關S1、S2。在按照
圖10A的方案中，反之由不同數字輸入信號DATAP和DATAM控制地把電壓輸出端OUT連接在電壓UP或者UM上。在完全類似於根據圖9A的方案中電壓UP或者UM可以是恆定的，或具有一個預先給定的脈衝波形。
在按照圖9A和9B或者同樣10A和10B的電路中，基於所用元件的非理想性產生輸出端的相互間影響，該影響違背了對一個1位模-數轉換器的輸入端表達的要求。
進一步闡明，例如按照圖9A的電路方案的工作原理以此為基礎，即藉助於電流開關S1、S2依賴於不同數字輸入信號DATAP或DATAM的極性把饋給的電流i連接在不同電流輸出端的正的或負的輸入支路OUT1或OUT2上。輸入電流i對此可以採用一個恆定的值、一個所謂的NRZ脈衝或具有一個已經預先成形的脈衝形狀。為了低地保持電晶體特性或者開關特性的洩漏作用、參見圖9B、即補償電壓，應當快速地通過開關電晶體T1、T2的保持平衡的狀態，這對於開關運行來說是普遍的。這意味著，藉助於二個輸入端輸出脈衝的形成是不適合的。該方案的內在缺點因此在於，例如一個跟隨在數字值「-1」之後的數字的「+1」不一樣地估算為一個同樣在其前面有一個「+1」的數字的「+1」。在第一種情況中進行電流開關S1或者S2的轉換過程，該過程由於開關電晶體T1、T2的非理想性必然與串擾效應和開關瞬態聯繫在一起，而在第二中情況中絕對不觸發開關過程，並且因此沒有如此的效應。這導致在數-模轉換器的情況中由該方案條件決定的非對稱性。按照圖10A或者10B的電路同樣具有這個根據圖9B描述的特性，這是明顯的。
本發明基於這個任務，建立一個1位數-模轉換器，降低其非對稱的特性。
這意味著，所應用開關單元的上述控制位的最低副作用對輸出信號沒有影響，其因此能夠避免上述的記憶效應。或能夠避免由於所用元件的非理想性引起的相互影響。如果脈衝作為輸出信號產生，則這些脈衝在其經過一個位的持續時間的過程中是絕對相同的，在產生輸出信號積分時對於所有脈衝積分的值在值上是相同的。本身應當沒有避免在脈衝中的非對稱性。
通過獨立權利要求1、4和7的特徵解決這個任務。本發明的擴展是從屬權利要求的內容。
本發明涉及具有二個輸入端、一個或二個輸出端、開關單元以及一個或二個脈衝形成單元的1位模-數轉換器，其中輸出端、開關單元和脈衝形成單元通過去耦單元相互去耦。可以通過共射-共基放大器緩衝級形成這樣的去耦單元，其中通過電晶體T5、T6、T7形成共射-共基放大器緩衝級。主要以起始電流驅動共射-共基放大器，其中可以預先規定在動態元件匹配級中恆定電流的相互間轉換。
此外本發明涉及具有一個或二個輸出端、二個輸入端、一個開關單元和一個或二隔脈衝形成單元的1位數-模轉換器，其中成對地形成每個輸入端，並且在每個開關單元上如此形成一個第二開關單元，在輸入位的每個位變換時原則上迫使一個開關過程。
此外，在根據本發明的1位數-模轉換器中在一個位的持續期間原則上在剛好輸入端的一個上存在一個「高」電平並在三個輸入端上剛好存在一個「低」電平。
最後在根據本發明的1位數-模轉換器中通過電晶體形成開關元件。
此外在根據本發明的、具有一個或二個輸出端、二個輸入端、一個開關單元和一個或二個脈衝形成單元的1位數-模轉換器中，在電流開關的情況下在數據輸入端的開關過程期間脈衝形成單元的電流i轉換為一個恆定的、通過數據串可以不影響的值，並且在電壓開關的情況下在數據輸入端的開關過程期間脈衝形成單元的相應電壓差轉換為一個恆定的、通過數據串可以不影響的值。
在電流開關i的情況下電流i主要採用值0，並且在電壓開關的情況下相應的電壓差採用值0。
根據本發明的1位數-模轉換器的電路形式有益地用在較高字寬的數-模轉換器電路中。
根據本發明的1位數-模轉換器的電路形式此外有益地用在n位轉換器電路中、例如1.5位轉換器。如此的轉換器依賴於可以採用狀態+1、-1和0的邏輯輸入值把輸出電流接通在正的輸出端、負的輸出端或例如正的電源電壓上。
下面根據附圖闡述本發明的優選實施例。
圖1指出了把數字輸入值轉換為電流脈衝的1位數-模轉換器的第一根據本發明的實施形式的電路圖，圖2指出了把數字輸入值轉換位電壓脈衝的根據本發明的1位數-模轉換器的第一實施形式的電路圖，圖3指出了根據圖1的方案的一個第一實現，圖4指出了根據圖3的電路的改進，圖5指出了把數字信息轉換為電壓脈衝的1位數-模轉換器的第二實施形式，圖6指出了把數字信息轉換為電流脈衝的1位數-模轉換器的第二實施形式的電流開關變體，圖7指出了根據圖6的電路圖的實現，圖8指出了在第三實施形式的開關過程中電流調整的概括描述，圖9a和9b指出了一個已知的把數字信息轉換為電流脈衝的1位數-模轉換器，和圖10a和10b指出了把數字信息轉換為電壓脈衝的1位數-模轉換器的一個已知電路。
在圖9A和9B以及10A和10B中描述的、1位數-模轉換器的已知形式已經引論中已說明。
圖1或者圖2指出了把值「+1」、「-1」的數字信息轉換為電流(圖1)或者電壓脈衝(圖2)的根據本發明的1位數-模轉換器的第一實施形式的概括描述。描述了數據輸入端DATAP、DATAM，其連接在不同電流輸出端的正的或負的輸出支路OUT1、OUT2上，或者反之在根據圖2的方案中由不同數字輸入信號DATAP、DATAM控制地把電壓輸出端OUT連接在電壓UP或者UM上。在這種情況下通過開關S1、S2或者S3、S4象徵性地表示開關單元。為了避免由於所用元件的非理想性引起的相互間影響，輸出端、開關單元和脈衝形成單元通過在電路圖中作為去耦單元EKA、EKA、EKC、EKD和EKE描述的特殊級彼此去耦，因此不可能由於相互間的影響而幹擾轉換功能。雖然在現實中去耦級也是非理想性的，並且因此不完全遵從理想的工作方式，可以已相應的費用實現足夠的去耦，因此避免相互間的影響。通過這些去耦單元輸出端從開關級上去耦並且這些開關級再從脈衝形成單元上去耦。
圖3指出了圖1的1位數-模轉換器的電路圖的實現。在這種情況下通過上面的包括二個電晶體T5和T6的共射-共基放大器級形成去耦單元EKA和EKB，而通過下面的包括一個電晶體的T7的共射-共基放大器級形成的去耦級EKB。通過相應電壓UCASC1或者UCASC2串接相應的電晶體T5、T6和T7的基極。通過共射-共基放大器緩衝級實現相應的去耦。
圖4指出了根據圖3的通過共射-共基放大器緩衝級實現的電路的改進，在該改進中以起始電流IV1和IV2驅動上面的共射-共基放大器級、即去耦級EKA，以便降低在開關過程期間開關電晶體T5和T6的集電極電壓的波動。由於起始電流IV1、IV2中的差別導致轉換器的顯著幹擾，所以預先規定一個所謂的動態元件匹配DEM，這引起供給動態元件匹配DEM的恆定電流I1、I2的相互間的轉換。由此實現，通過二個共射-共基放大器電晶體T5和T6的起始電流IV1、IV2在時間上平均具有準確相同的值。
一個如此的動態元件匹配引起，在時間上平均實現在輸出狀態中彼此偏差的功能元件的一致。這是通過有節拍地交換功能元件的功能實現的。例如以較高頻率交換四個電流源的輸出電流，這四個電流源名義上提供相同輸出電流，以便相互在統計上平均補償了輸出電流的低偏差。作為邊界條件對此注意，以其實施互換的頻率不限制實際的有效頻譜。
圖5或者圖6指出了不僅用於電壓驅動(圖5)而且用於電流驅動(圖6)的根據本發明的1位數-模轉換器的第二實施形式的概括描述。為了獨立於前面的位實現數字的輸入位「+1」、「-1」的相同處理，在每個位變換時原則上迫使一個開關過程，其中例如也可以在不改變輸入位的情況下出現一個位變換。在一個位的持續時間期間，原則上在剛好輸入端DATAP1、DATAP2、DATAM1和DATAM2中的一個上存在一個「高」電平並且剛好在三個輸入端上存在一個「低」電平。如果例如具有相同值「+1」(「-1」)的二個數字輸入位彼此臨近地跟隨，則「高」電平從DATAP1變換到DATAP2或從DAPAP2向ATAP1變換(或者在相反的情況下從DATAM1向DATAM2或從DATAM2向DATAM1變換)，也就是說獨立於特殊的數據信號串在每個位變換時，在四個數字輸入端中的一個上的「高」電平進一步達到一個另外的輸入端上。這個布置的優點在於，在輸入位的估算中不再存在內在的非對稱性。這是通過開關元件S3、S7或者S4、S8和S1、S5以及S6和S2的一個成對布置實現的。在圖7中描述了一個如此電路的實現，在該電路中通過電晶體T1、T2以及T9和T10形成圖6的開關、也就是S1、S2、S5和S6。
圖8指出了本發明的第三實施形式的作用原理。為了闡述該作用原理，重新詳細研究根據圖9A的已知電路的方案。該電路方案的工作原理基於，饋給的電流i(脈衝形成單元)藉助於電流開關S1、S2依賴於不同數字輸入信號DATAP、DATAM的極性被連接在不同電流輸出端的正的或負的輸出端OUT1、OUT2上。對此輸入端電流可以採用一個恆定值(NZR脈衝)或也可以具有一個已經預先成形的脈衝形狀。所有預知的解決方案對此享有這個特性，輸入電流i在開關過程期間具有一個並不微小的數值。根據本發明，輸入電流i在開關過程期間具有一個恆定的、通過可以不影響數據串的值控制的數值、例如通相應調整(沒有描述)，因此可以排除前面數據位的副作用。為了此外儘可能小地保持在開關過程中出現的開關瞬態，在開關過程期間儘可能地小地保持或完全斷開電流i。通過這種方式幾乎完全地或充分地排除了在開關過程期間輸入電流i的波動。不可能出現記憶效應。為了相對在脈衝形成的輸入電流i的時鐘內消除在數據時鐘期間相位抖動的幹擾影響，注意，在開關過程期間對於足夠大的持續時間電流i保持斷開。在圖8中描述了產生的脈衝波形。
原則上在圖10A的電壓開關的情況下也應用這個原理。在這種情況下必須保證，在開關過程的環境下在輸出端OUT和輸入電壓UP和UM之間不出現電壓差或者恆定保持電壓差。
所闡述的把輸入電流調整到零或接近於零的方法或者電壓差OUT-UP或者OUT-UM的相應調整自然同樣可以應用在1位數-模轉換器的另外實施形式中。
此外上面描述的根據本發明的實施形式可以整體集成，特別可以用在移動通信範圍的基站的範圍內，用在移動多媒體範圍的基站中以及用在西格馬-德耳塔轉換器中，該轉換器不僅可以作為數-模轉換器而且也可以作為模-數轉換器實施。
權利要求
1.具有二個輸入端(DATAP、DATAM)、具有一個或二個輸出端(OUT1、OUT2；OUT)、開關單元(S1、S2；S3、S4)以及脈衝形成單元(i、UP、UM)的1位數-模轉換器，其特徵在於，輸出端、開關單元和脈衝形成單元通過去耦單元(EKA、EKB；EKC、EKE和EKD)彼此去耦。
2.按照權利要求1的1位數-模轉換器，其特徵在於，通過共射-共基放大器緩衝級形成去耦單元。
3.按照權利要求1的1位數-模轉換器，其特徵在於，通過電晶體(T5、T6、T7)形成共射-共基放大器緩衝級。
4.按照權利要求3的1位數-模轉換器，其特徵在於，以起始電流驅動共射-共基放大器。
5.按照權利要求4的1位數-模轉換器，其特徵在於，在一個動態元件匹配級中預先規定恆定電流的相互間轉換。
6.具有一個或二個輸出端(OUT；OUT1、OUT2)、二個輸入端(DATAP1、DATAM1)、一個開關單元(S1、S2；S3、S4)和脈衝形成單元(UP、UM；i)的1位數-模轉換器，其特徵在於，成對地形成每個輸入端(DATAP1、DATAP2、DATAM1、DATAM2)，並且在每個開關單元(S1、S2；S3、S4)上如此布置一個第二開關單元(S5、S6；S7、S8)，即在輸入位的每個位變換的情況下原則上迫使一個開關過程。
7.按照權利要求6的1位數-模轉換器，其特徵在於，在一個位的持續時間期間原則上在輸入端(DATAP1、DATAP2、DATAM1、DATAM2)中的剛好一個上存在一個「高」電平，並且剛好在三個輸入端上存在一個「低」電平。
8.按照權利要求6或7之一的1位數-模轉換器，其特徵在於，通過電晶體(T1、T2、T9、T10)形成開關元件(S1、S2、S5、S6；S3、S4、S7、S8)。
9.具有一個或二個輸出端(OUT；OUT1、OUT2)、二個輸入端(DATAP、DATAM)、一個開關單元(S1、S2；S3、S4)和脈衝形成單元(UP、UM、i)的1位數-模轉換器，其特徵在於，在電流開關的情況下脈衝形成單元(i)使在數據輸入端(DATAP、DATAM)的開關過程期間的電流i採用一個恆定的、可以通過數據串不受影響的值，並且在電壓開關的情況下脈衝形成單元(UP、UM)使相應的電壓差(OUT-UP或者OUT-UM)在數據輸入端(DATAP、DATAM)的開關過程期間採用一個恆定的、可以通過數據串不受影響的值。
10.按照權利要求9的1位數-模轉換器，其特徵在於，在電流開關i的情況下電流i幾乎或實際上採用值0，並且在電壓開關的情況下相應電壓差(OUT-UP或者OUT-UM)幾乎或實際上採用值0。
11.驅動按照上述權利要求之一的電路的方法，其特徵在於，在電流開關i的情況下電流i幾乎或實際上採用值0，並且在電壓開關的情況下相應的電壓差(OUT-UP或者OUT-UM)幾乎或實際上採用值0。
12.按照權利要求1-10之一的電路在一個整體的集成電路中的應用。
13.按照權利要求1-10之一的電路在移動通信範圍或移動多媒體範圍內的一個基站中的應用。
14.按照權利要求1-10之一的電路在一個西格馬-德耳塔轉換器中的應用。
15.按照權利要求1-10之一的電路在具有至少二位字寬的一個數-模轉換器中的應用。
16.按照權利要求1-10之一的電路在一個1.5位數-模轉換器中的應用。
全文摘要
一個1位數－模轉換器具有輸出端、開關單元以及脈衝形成單元,其中輸出端、開關單元和脈衝形成單元通過去耦單元彼此去耦。此外一個1位數－模轉換器單元具有一個或二個輸出端、二個輸入端、一個開關單元和脈衝形成單元,其中成對地形成每個輸入端,並且在每個開關單元上如此布置一個第二開關單元,即在輸入位的每個位變換的情況下原則上迫使一個開關過程。此外在電流開關i的情況下電流i被調整到幾乎為零或實際為零,而在電壓開關的情況下相應的電壓差調整到幾乎為零或實際為零。
文檔編號H03M3/02GK1344437SQ0080542
公開日2002年4月10日 申請日期2000年3月22日 優先權日1999年3月22日
發明者H·克林 申請人:西門子公司