專利名稱：數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來(lái)將多位數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包含有位于同一半導(dǎo)體芯片上的多個(gè)相同的轉(zhuǎn)換單元和根據(jù)該多位數(shù)字輸入信號(hào)，從所述的多個(gè)轉(zhuǎn)換單元中選擇多個(gè)用來(lái)和輸出終端連接的信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換單元選擇邏輯電路，該適于算術(shù)動(dòng)態(tài)單元匹配算法的選擇邏輯用于對(duì)由于不同的轉(zhuǎn)換單元造成的噪聲進(jìn)行更高頻率整形。這種數(shù)模轉(zhuǎn)換器從下述的文章可知在IEEE Transaction on Circuits and Systems-IIanalog anddigital signal processing中第42卷12號(hào)753-762頁(yè)，1995年12月的、由R.T.Baird和T.S.Fiez所著的“Linearity Enhancement of Multibit Delta Sigma A/D and D/AConverters Using Data Weighted Averaging”。
在多種情況下，例如電視或高清晰度音頻，多位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用比單位轉(zhuǎn)換器更廣泛。該多位量化器的量化噪聲電平比單位量化器的要低(該系統(tǒng)理論上的信噪比改進(jìn)為大約6dB/位)。并且，多位轉(zhuǎn)換器還具有更低的采樣時(shí)鐘抖動(dòng)和符號(hào)間的沖突。
對(duì)多位轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的改進(jìn)僅僅在于嚴(yán)重的線性消耗問(wèn)題。當(dāng)轉(zhuǎn)換單元的值并不完全一致時(shí)，量化噪聲并不是等距離的，轉(zhuǎn)換器并不是線性的并且輸出信號(hào)還會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失真。從R.J.van de Plassche的美國(guó)專利3982172和4703310中可以看出通過(guò)動(dòng)態(tài)單元匹配來(lái)改進(jìn)多位轉(zhuǎn)換器的線性問(wèn)題。這些技術(shù)并不依賴模擬準(zhǔn)確度并且經(jīng)常由現(xiàn)在的IC處理來(lái)提供。當(dāng)然，為對(duì)某一數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會(huì)有相應(yīng)的多個(gè)轉(zhuǎn)換單元被選中，動(dòng)態(tài)單元匹配技術(shù)會(huì)避免對(duì)于任一個(gè)轉(zhuǎn)換有相同的轉(zhuǎn)換單元被選中。因此，動(dòng)態(tài)單元匹配使輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的不匹配誤差相互無(wú)關(guān)，這樣就減小了非線性失真，也就是生成較和諧的模擬輸出信號(hào)。一些動(dòng)態(tài)單元匹配并不光使輸入信號(hào)的不匹配誤差相互無(wú)關(guān)，還對(duì)由于轉(zhuǎn)換單元的不同導(dǎo)致的噪聲在有用頻帶之外進(jìn)行整形。后一種單一且優(yōu)選的動(dòng)態(tài)單元匹配方法是在上述參考文章中所述的數(shù)據(jù)加權(quán)平均(DWA)算法。在該算法中，每次轉(zhuǎn)換都使用接下來(lái)的K組單元，K為被選中的單元數(shù)。通過(guò)這種方法，可以獲得循環(huán)分配的轉(zhuǎn)換單元，因此由于不匹配導(dǎo)致的誤差平均化得更快并且該不匹配誤差由于第一命令整形而變成高頻率誤差。
雖然上述已知的動(dòng)態(tài)單元匹配方法對(duì)噪聲進(jìn)行更高頻率整形并且增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比，本發(fā)明確認(rèn)還可以獲得更好些的噪聲整形和更好的信噪比并且本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以被描述為按照動(dòng)態(tài)單元匹配算法進(jìn)行的選擇適用于陣列中的轉(zhuǎn)換單元，使得對(duì)由于系統(tǒng)性的轉(zhuǎn)換單元不同造成的噪聲進(jìn)行的更高頻率整形得到了改進(jìn)。
本發(fā)明基于以下公知常識(shí)在IC設(shè)備中，轉(zhuǎn)換單元誤差包括隨機(jī)部分和系統(tǒng)部分。該系統(tǒng)誤差是由在集成電路的人工處理時(shí)的變化和偏差引起的，例如溫度變化、粘稠度變化、氧化厚度變化以及掩模未對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明確信轉(zhuǎn)換單元的系統(tǒng)誤差是可以預(yù)見(jiàn)的，并且通過(guò)由可比值的相對(duì)誤差對(duì)絕對(duì)誤差(關(guān)于單元的平均值)迅速進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)獲得對(duì)單個(gè)誤差進(jìn)行更好的整形。因此，該動(dòng)態(tài)匹配算法適用于優(yōu)化對(duì)不匹配噪聲進(jìn)行更高頻率的整形，而該不匹配噪聲是由系統(tǒng)誤差引起的。
在大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換單元被安排在半導(dǎo)體芯片的一行中。在這些情況下，經(jīng)常關(guān)注的是各個(gè)單元值的變化斜率。因此，在至少有一部分轉(zhuǎn)換單元位于轉(zhuǎn)換單元的線性矩陣中時(shí)，本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以描述為選擇邏輯被定義為從位于線性矩陣不同側(cè)的成對(duì)的轉(zhuǎn)換單元中選取至少是該線性矩陣的大多數(shù)的轉(zhuǎn)換單元。尤其是，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以被描述為所述成對(duì)的兩個(gè)轉(zhuǎn)換單元相對(duì)于線性矩陣中心是對(duì)稱的。
除了從成對(duì)的位于線性矩陣中心兩側(cè)以及相對(duì)于線性矩陣中心對(duì)稱的兩個(gè)單元中選擇轉(zhuǎn)換單元之外，一個(gè)進(jìn)一步的改進(jìn)可以在更低重采樣率的情況下，通過(guò)選擇被連續(xù)選中的單元對(duì)來(lái)獲得，并且因此本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以被進(jìn)一步描述為所述轉(zhuǎn)換單元對(duì)被連續(xù)的選中使得如果在線性矩陣一半中某一方向上的每個(gè)第二單元被選中則在其相反方向上的每個(gè)第二單元也將被選中。一個(gè)具有些許不同選擇算法的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以被描述為一單元對(duì)的第二單元和位于該單元對(duì)的第一單元與下一單元對(duì)的第一單元之間的單元相對(duì)于線性矩陣的中心是對(duì)稱的。
本發(fā)明將參照附圖進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明

圖1使本發(fā)明中使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的示意方框圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的轉(zhuǎn)換單元選擇方案；
圖3為根據(jù)本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換單元選擇方案；圖4中的曲線表示轉(zhuǎn)換單元值的可能情況；以及圖5為根據(jù)本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的另一轉(zhuǎn)換單元選擇方案。
圖1中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器包含有轉(zhuǎn)換單元選擇邏輯1，它是由一個(gè)多位數(shù)字輸入信號(hào)Si控制的，該輸入信號(hào)Si為N位。該選擇邏輯1通過(guò)多個(gè)M線路與陣列2相連，該陣列2有M個(gè)可選轉(zhuǎn)換單元其中的每一個(gè)都是由M線路中的一個(gè)來(lái)控制。該轉(zhuǎn)換單元最好是由電流源構(gòu)成，但其也可以采用電壓源或電容來(lái)作為轉(zhuǎn)換單元。
可選轉(zhuǎn)換單元的最大值為2N-1并且該選擇邏輯的基本功能是把由輸入信號(hào)的位表示的值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的選中行和選中轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字。因此，當(dāng)表示輸入信號(hào)的值為K時(shí)，選擇邏輯1使M輸出線中的K個(gè)為高電位時(shí)陣列2的K個(gè)電流源被選中。這些被選中的電流源的電流和被供給輸出終端3。在圖1的實(shí)施例中，該模擬輸出電流通過(guò)一個(gè)電阻被反饋給運(yùn)算放大器。這種安排使得模擬輸出電流轉(zhuǎn)換為模擬輸出電壓。需要指出的是陣列2中沒(méi)有被選中的電流源被轉(zhuǎn)存到任何已知的適用之處。這種選擇也就是轉(zhuǎn)換電流的開(kāi)和關(guān)，沒(méi)有被優(yōu)選的原因在于把電流源切換為關(guān)比使之重定向需要更多的邊沿較緩的延時(shí)。
現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)選擇邏輯來(lái)選擇電流源的最簡(jiǎn)單的方法為當(dāng)輸入信號(hào)值K＝1時(shí)只選擇第一電流源，當(dāng)K＝2時(shí)選擇前兩個(gè)電流源，當(dāng)K＝3時(shí)選擇前三個(gè)電流源等等。該稱為溫度計(jì)的代碼允許當(dāng)電流源的值不同時(shí)的高非線性失真和高頻帶噪聲。
為使這些問(wèn)題最小化，該選擇邏輯可以執(zhí)行一個(gè)動(dòng)態(tài)單元匹配算法以達(dá)到減小信號(hào)的非線性失真和將由于電流源之間的不匹配造成的噪聲進(jìn)行有用頻帶外的更高頻率整形。一種叫做“數(shù)據(jù)加權(quán)平均”(DWA)的簡(jiǎn)單、有效并且周知的動(dòng)態(tài)單元匹配算法在圖2的選擇方案中采用了特定的輸入信序列3、4、10、5、8、9、2、7、7來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。該選中的電流源由做標(biāo)記的塊顯示而沒(méi)有被選中的塊由空白顯示。如圖所示，選中的轉(zhuǎn)換塊的數(shù)量相當(dāng)于將要被轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)的數(shù)量。但是，由第一電流源代替每個(gè)轉(zhuǎn)換的開(kāi)始，這樣現(xiàn)在每個(gè)轉(zhuǎn)換都是從上一次轉(zhuǎn)換時(shí)選中的電流源之后的電流源開(kāi)始。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，最后的電流源被選中，該轉(zhuǎn)換以循環(huán)的方式由第一電流源繼續(xù)進(jìn)行。在圖中示出了26個(gè)轉(zhuǎn)換單元，但是在實(shí)際中任一其它數(shù)量的轉(zhuǎn)換單元也都可以使用。圖2的首行表示各個(gè)電流源的數(shù)量。
圖3示出了一種改進(jìn)的選擇算法。在該圖中，可以假設(shè)電流源位于一半導(dǎo)體芯片的線性矩陣中。電流源的不同部分在于個(gè)體的特性也就是各芯片之間的電流源的值是不同的，并且還有一部分在于系統(tǒng)的特性也就是電流源陣列中的偏差對(duì)所有的芯片都是一樣的并且是公知和可預(yù)見(jiàn)的。系統(tǒng)誤差一般產(chǎn)生于生產(chǎn)過(guò)程的變化，例如溫度、粘稠度和氧化厚度的變化。
在圖3的選擇算法中，可以假設(shè)電流源陣列的系統(tǒng)誤差是線性的(視圖4中的直線a)。如圖2所示該選中的電流源由做標(biāo)記的塊顯示而沒(méi)有被選中的塊由空白顯示。并且同樣采用了如圖2中所示的輸入信號(hào)序列。對(duì)于第一轉(zhuǎn)換，為把數(shù)字輸入信號(hào)值3轉(zhuǎn)換為模擬格式，3個(gè)電流源1、26和2也就是對(duì)于平均值系統(tǒng)誤差為正值最大的源、系統(tǒng)誤差為負(fù)值最大的源以及系統(tǒng)誤差為正值第二大的源被選中。對(duì)于第二轉(zhuǎn)換，為把數(shù)字值4轉(zhuǎn)換為模擬格式，4個(gè)電流源25、3、24和4也就是系統(tǒng)誤差為負(fù)值第二大的源、系統(tǒng)誤差為正負(fù)值第三大的源以及系統(tǒng)誤差為正值第四大的源被選中。對(duì)于為了轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)值10的第三轉(zhuǎn)換，電流源23、5、22、6、21、7、20、8、19和9被選中并以此類推。可以看出電流源是被成對(duì)選中的1-26、2-25、3-24等等，也就是說(shuō)具有最大正值系統(tǒng)誤差的電流源是跟在具有最大負(fù)值系統(tǒng)誤差的電流源之后的，并且具有小一些的正值系統(tǒng)誤差的電流源是跟在具有相同值負(fù)值系統(tǒng)誤差的電流源之后的。換句話說(shuō)，一個(gè)正的系統(tǒng)誤差是通過(guò)一個(gè)相同值的負(fù)系統(tǒng)誤差來(lái)彌補(bǔ)的，兩個(gè)電流源或者在同一次轉(zhuǎn)換中被選中或者其中的一個(gè)在下一次轉(zhuǎn)換中被選中。結(jié)果使得系統(tǒng)誤差適合于更高頻帶的整形。計(jì)算結(jié)果顯示根據(jù)附圖2的算法對(duì)于算法信號(hào)/噪聲的改進(jìn)獲得了大于10dB的改進(jìn)。
可以看出，參照?qǐng)D3所示的選擇算法適合于根據(jù)轉(zhuǎn)換單元陣列的任何線性源的系統(tǒng)誤差對(duì)噪聲進(jìn)行整形。例如，高或低的系統(tǒng)誤差電平和從正值變到負(fù)值并又從負(fù)值變到正值的系統(tǒng)誤差都是使用相同的算法進(jìn)行整形的。因此，并不需要確切的知道失真和系統(tǒng)誤差源。當(dāng)系統(tǒng)誤差源為線性時(shí)，參照?qǐng)D3所描述的算法就會(huì)顯示出其優(yōu)越性來(lái)。
需要進(jìn)一步指出的是，選中單元對(duì)的連續(xù)性并不是很重要。重要的是對(duì)于具有某一種系統(tǒng)誤差的單元的選擇盡可能的跟在對(duì)與其相等卻相反的單元的選擇之后，這都是對(duì)于平均值而言。如果轉(zhuǎn)換單元的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，這可以很容易的通過(guò)用其值最接近平均值的單個(gè)單元來(lái)代替其值最接近平均值的單元對(duì)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)系統(tǒng)誤差源為非線性時(shí)選取了根據(jù)本發(fā)明的一種不同的算法。例如，如果系統(tǒng)誤差源是對(duì)稱的，如圖4中的曲線b所示，則對(duì)源的選擇可如下所示1-13、26-14、2-12、25-15、3-11、24-16、4-10、23-17、5-9、22-18、6-8、211-19、7-20。這種選擇算法可以在系統(tǒng)誤差源由兩個(gè)線性部分構(gòu)成時(shí)被選用，其中的一個(gè)在陣列的一半中降序，而另一個(gè)在陣列的另一半中升序。
如果系統(tǒng)誤差源是非對(duì)稱的，如圖4中的曲線c所示，則對(duì)轉(zhuǎn)換單元的選擇可以如下方式進(jìn)行26-7、25-6、24-8、23-5、22-9、21-4、20-10、19-3、18-11、17-2、16-12、15-1、14-13。
在上面給出的參照?qǐng)D3和4的描述中，示出了可以通過(guò)對(duì)由兩個(gè)相互進(jìn)行彌補(bǔ)系統(tǒng)誤差的單元構(gòu)成的成對(duì)轉(zhuǎn)換單元的選擇來(lái)改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行的整形。尤其是在更低重采樣率的情況下，對(duì)系統(tǒng)誤差噪聲整形的進(jìn)一步改進(jìn)也可以通過(guò)對(duì)連續(xù)的轉(zhuǎn)換單元對(duì)進(jìn)行選擇來(lái)獲得。這將參照?qǐng)D5進(jìn)行說(shuō)明。
這里可以再次假設(shè)在一個(gè)線性矩陣中有編號(hào)為1-26的26個(gè)轉(zhuǎn)換單元，并且其系統(tǒng)誤差從-2.5至+2.5成線性變化也就是后一個(gè)比前一個(gè)依次遞增0.2。轉(zhuǎn)換單元的編號(hào)以及它們各自的系統(tǒng)誤差在圖5的A欄中列出。
當(dāng)如圖3所示的單元被成對(duì)選中時(shí)，選中單元的序列以及它們各自的系統(tǒng)誤差在圖5的I欄中列出。從欄I中可以看出，系統(tǒng)誤差的值逐漸的從±2.5減小至±0.1，并再增至±2.5，接著再逐漸減小并以此類推。因此，在該序列中出現(xiàn)大量的不連續(xù)現(xiàn)象并且對(duì)波形的傅立葉分析顯示出這些不連續(xù)現(xiàn)象可能在一些情況下導(dǎo)致模擬輸出信號(hào)中的大量剩余低頻率噪聲。
參照?qǐng)D5的II欄示出的序列對(duì)26個(gè)轉(zhuǎn)換單元(以及它們各自的系統(tǒng)誤差)進(jìn)行選擇則可以獲得一個(gè)具有較低剩余低頻率誤差的波形。當(dāng)序列II被重復(fù)時(shí)，序列I的系統(tǒng)誤差中的大量不連續(xù)現(xiàn)象沒(méi)有再出現(xiàn)?？梢宰⒁獾叫蛄蠭I由成對(duì)的1-26；3-24；5-22；---4-23；2-25構(gòu)成，并且其中的單元如序列I中的情況一樣相對(duì)于陣列的中心是對(duì)稱的。但是，在序列II中，陣列第一半的奇數(shù)單元(1-13)是從1至13被向上選中的而偶數(shù)單元是從12至2被向下選中的。相同的，陣列第二半的單元(14-26)，其中的偶數(shù)是從26至14被向下選中的而奇數(shù)是從15至25被向上選中的。
圖5的III欄示出了另一種選擇序列。在該序列中，陣列第一半的單元(1-13)被選中并使得奇數(shù)從1至13向上被選中而偶數(shù)從12至2向下被選中，并且陣列第二半的單元(14-26)中的偶數(shù)從14至26向上被選中而奇數(shù)從25至15向下被選中。在該序列中，一對(duì)的單元相對(duì)于陣列的中心并不是對(duì)稱的，但是某一單元對(duì)的第二單元相對(duì)于位于陣列中上述單元對(duì)的第一單元以及下一單元對(duì)的第一單元中間的單元是對(duì)稱的。
本發(fā)明是用含有26個(gè)單元的陣列進(jìn)行說(shuō)明的，但其也可以用更多或更少的單元來(lái)說(shuō)明。當(dāng)然在實(shí)際中對(duì)單元的選擇可以在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)有所變化，尤其是轉(zhuǎn)換單元平均值的系統(tǒng)誤差比較小的單元。本發(fā)明也可以通過(guò)奇數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)換單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這種情況下不可能將所有單元都成對(duì)安排。
在上文中參照最簡(jiǎn)單的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行描述的本發(fā)明也可以用在所有多位數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，例如歐洲專利申請(qǐng)99203538.6(PHN017689)中所述的相關(guān)轉(zhuǎn)換單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和剩余轉(zhuǎn)換單元的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)將多位數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬輸出信號(hào)的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括在一半導(dǎo)體芯片上含有多個(gè)相同轉(zhuǎn)換單元的陣列(1)和根據(jù)多位數(shù)字輸入信號(hào)從所述轉(zhuǎn)換單元陣列中選出多個(gè)用來(lái)與輸出終端(3)相連的信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換單元選擇邏輯(2)，該適合于執(zhí)行動(dòng)態(tài)單元匹配算法的選擇邏輯用來(lái)對(duì)由于轉(zhuǎn)換單元的不同而導(dǎo)致的噪聲進(jìn)行更高頻率的整形，其特征在于，依照動(dòng)態(tài)單元匹配算法進(jìn)行的選擇適用于對(duì)所述陣列中的轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行定位，以改進(jìn)對(duì)由于轉(zhuǎn)換單元的系統(tǒng)不同而導(dǎo)致的噪聲進(jìn)行更高頻率的整形。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，還包括一個(gè)線性轉(zhuǎn)換單元陣列，其特征在于該選擇邏輯用來(lái)從位于該線性陣列的兩個(gè)不同部分的轉(zhuǎn)換單元對(duì)中選擇至少為線性陣列的多數(shù)的轉(zhuǎn)換單元。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其特征在于，各個(gè)所述對(duì)中的兩個(gè)轉(zhuǎn)換單元相對(duì)于線性陣列的中心是對(duì)稱的。
4.如權(quán)利要求2或3所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換單元對(duì)是被連續(xù)選中的，使得如果在線性陣列的每一半中每個(gè)第二單元在某一方向上被選中則在其相反方向上的第二單元也被選中。
5.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，其特征在于，一單元對(duì)的第二單元和位于所述單元對(duì)的第一單元和下一單元對(duì)的第一單元之間的單元相對(duì)于線性陣列的中心是對(duì)稱的。
全文摘要
一種通過(guò)多個(gè)相同的轉(zhuǎn)換單元將多位數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,這些轉(zhuǎn)換單元是根據(jù)動(dòng)態(tài)單元匹配算法選擇出來(lái)的。該動(dòng)態(tài)單元匹配算法適合于對(duì)半導(dǎo)體芯片中的轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行定位以便改進(jìn)對(duì)由于轉(zhuǎn)換單元的系統(tǒng)誤差,也就是相關(guān)位置,所引起的噪聲進(jìn)行整形。
文檔編號(hào)H03M1/08GK1366735SQ01800786
公開(kāi)日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2001年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月4日
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