具有大輸入阻抗的甚高動(dòng)態(tài)范圍開(kāi)關(guān)電容器adc的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)內(nèi)容涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，并且更具體地涉及能夠處理大輸入信號(hào)范圍同時(shí)具有高輸入阻抗以用于例如在音頻系統(tǒng)中容忍在大輸入信號(hào)電平處的增加的失真和噪聲的應(yīng)用的開(kāi)關(guān)電容器ADC。
【背景技術(shù)】
[0002]高性能音頻記錄技術(shù)的趨勢(shì)是支持聲壓級(jí)(SPL)的甚高動(dòng)態(tài)范圍，聲壓級(jí)通常與作為標(biāo)準(zhǔn)參考級(jí)的人類聽(tīng)覺(jué)閾值相比較而以dB為單位被測(cè)量。在20 μ Pa(rms)的壓力級(jí)處的可聽(tīng)度下限被定義為OdBSPL的SPL?？梢韵鄬?duì)于這一水平進(jìn)行聲級(jí)測(cè)量。例如，IPa (rms)的壓力級(jí)等于94dBSPL的SPL。SPL上限可以不被清楚地定義并且能夠取決于期望的應(yīng)用范圍。工程音頻系統(tǒng)或者麥克風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題是提供適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的、具有低功耗的架構(gòu)。因此，需要設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)和部件以高效地處理高SPL水平。
【附圖說(shuō)明】
[0003]圖1是圖示根據(jù)所公開(kāi)的各個(gè)方面的A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的框圖；
[0004]圖2是圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的音頻系統(tǒng)的框圖；
[0005]圖3是圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的另一 A/D調(diào)制器系統(tǒng)的框圖；
[0006]圖4是圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的關(guān)于輸入電壓的信噪功率的圖；
[0007]圖5是圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的調(diào)制器的另一框圖；
[0008]圖6圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的另一音頻系統(tǒng)；
[0009]圖7是根據(jù)所描述的各個(gè)方面的仿真圖；以及
[0010]圖8是圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的調(diào)制器的另一方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]現(xiàn)在將參考附圖描述本公開(kāi)內(nèi)容，其中相似的附圖標(biāo)記始終用于指代相似的要素，并且其中所圖示的結(jié)構(gòu)和設(shè)備未必按比例繪制。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“部件”、“系統(tǒng)”、“接口”等意在指代計(jì)算機(jī)相關(guān)的實(shí)體、硬件、軟件(例如執(zhí)行的)和/或固件。例如部件可以是具有處理設(shè)備的電路、處理器、在處理器上運(yùn)行的進(jìn)程、控制器、對(duì)象、可執(zhí)行文件、程序、存儲(chǔ)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、平板電腦和/或移動(dòng)電話。僅作為說(shuō)明，在服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用和服務(wù)器也可以是部件。一個(gè)或多個(gè)部件可以駐留在進(jìn)程中，并且部件可以被局限在一個(gè)計(jì)算機(jī)上和/或分布在兩個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)之間。本文中可以描述元件的集合或者其他部件的集合，其中術(shù)語(yǔ)“集合”可以被解釋為“一個(gè)或多個(gè)”。
[0012]另外，這些部件可以從具有存儲(chǔ)在其上的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(諸如具有模塊)的各種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)執(zhí)行。部件可以經(jīng)由本地和/或遠(yuǎn)程進(jìn)程諸如根據(jù)具有一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)分組(例如本地系統(tǒng)中、分布式系統(tǒng)中和/或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(諸如因特網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或者類似網(wǎng)絡(luò))(經(jīng)由信號(hào)與另一系統(tǒng))來(lái)自與另一部件交互的一個(gè)部件的數(shù)據(jù))的信號(hào)來(lái)通信。
[0013]作為另一示例，部件可以是具有由電或電子電路操作的機(jī)械零件提供的具體功能的裝置，其中電或電子電路可以由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行的軟件應(yīng)用或固件應(yīng)用來(lái)操作。一個(gè)或多個(gè)處理器可以在裝置內(nèi)部或者外部并且可以執(zhí)行軟件或固件應(yīng)用的至少部分。作為又一示例，部件可以是通過(guò)電子部件提供具體功能而沒(méi)有機(jī)械零件的裝置；電子部件可以在其中包括執(zhí)行軟件和/或固件(至少部分給予電子部件的功能)的一個(gè)或多個(gè)處理器。
[0014]詞語(yǔ)“示例性”的使用意在以具體方式呈現(xiàn)概念。如本申請(qǐng)中所使用的，術(shù)語(yǔ)“或者”意在表示包括性的“或者”而非排他性的“或者”。也就是，除非另外規(guī)定或者根據(jù)上下文很清楚，否則“X采用A或者B”意在表示自然包括性排列中的任何一個(gè)。也就是，如果X采用A ;X采用B ;或者X采用A和B 二者，則“X采用A或者B”在以上情況中的任何情況下滿足。另外，冠詞“一個(gè)(a)”和“一個(gè)(an)”如本申請(qǐng)和所附權(quán)利要求中所使用地通常應(yīng)當(dāng)被理解為表示“一個(gè)或多個(gè)”，除非另外規(guī)定或者根據(jù)上下文很清楚其指代單數(shù)形式。另外，為了擴(kuò)展術(shù)語(yǔ)“包括(including)，，、“包括(includes) ”、“具有(having) ”、“具有(has)，，、“具有(with) ”或者其變型在詳細(xì)描述或權(quán)利要求中使用，這樣的術(shù)語(yǔ)以類似于術(shù)語(yǔ)“包括(comprising) ”的方式意在包括。
[0015]考慮到用于運(yùn)行具有大動(dòng)態(tài)范圍和低功率的音頻部件的音頻系統(tǒng)的上述缺陷，描述一種音頻系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)電容器調(diào)制器或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其生成對(duì)噪聲和失真的折中以促進(jìn)在高輸入電平處的信噪失真比(SNDR)，該信噪失真比低于與理想轉(zhuǎn)換器的SNDR相比在相同信號(hào)電平處理論上可獲得的SNDR。例如，音頻系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電容器調(diào)制器包括接收諸如模擬輸入信號(hào)等輸入信號(hào)并且將輸入調(diào)制成經(jīng)調(diào)制的數(shù)字輸出的調(diào)制路徑。反饋路徑將經(jīng)調(diào)制的輸出結(jié)合到調(diào)制器路徑的輸入端子。浮動(dòng)電壓源反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)被配置成根據(jù)在模擬輸入處的輸入擺動(dòng)生成浮動(dòng)電壓源。DAC基于輸入信號(hào)值以及來(lái)自數(shù)字輸出的控制信號(hào)來(lái)修改浮動(dòng)電壓作為反饋電壓或者滑動(dòng)電壓。反饋電壓作為浮動(dòng)電壓被提供給調(diào)制器路徑并且通過(guò)DAC被動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)以最小化在求和節(jié)點(diǎn)處的輸入信號(hào)擺動(dòng)。例如，響應(yīng)于輸入信號(hào)電壓幅度值的增加，反饋電壓被增加并且由反饋DAC在求和節(jié)點(diǎn)處施加負(fù)反饋。
[0016]高動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)通常在更高輸入信號(hào)電平處不要求大的SNDR。例如聲學(xué)系統(tǒng)通常在?IlOdBSPL以上的SPL水平處不要求大的SNDR。所公開(kāi)的系統(tǒng)因此可以操作以對(duì)可獲得的SNR進(jìn)行折中，其很大程度上是由于模擬噪聲造成的。由于人類聽(tīng)覺(jué)感知，相對(duì)大的失真水平(諸如在120dBSPL以上的SPL水平處的總諧波失真(THD))可以是可接受的，其使得能夠進(jìn)一步優(yōu)化音頻系統(tǒng)。下面參考附圖進(jìn)一步描述本公開(kāi)內(nèi)容的另外的方面和細(xì)節(jié)。
[0017]圖1圖示根據(jù)所描述的各個(gè)方面的生成到用于反饋電壓的調(diào)制器路徑的浮動(dòng)電壓源的A/D調(diào)制器系統(tǒng)的示例。調(diào)制器系統(tǒng)100操作以通過(guò)在求和節(jié)點(diǎn)108中緩解這些擺動(dòng)以提供比被接收至調(diào)制器路徑102的輸入明顯更小的信號(hào)值來(lái)經(jīng)由DAC 106適應(yīng)在模擬輸入110處的大電壓擺動(dòng)。調(diào)制器系統(tǒng)100包括諸如Δ-Σ調(diào)制器之類的調(diào)制器或者其他類似的調(diào)制器，其能夠操作以同時(shí)(幾乎同時(shí))處理一個(gè)比特或者多個(gè)比特而使用調(diào)制器路徑102和反饋路徑104生成經(jīng)調(diào)制的信號(hào)輸出112。
[0018]調(diào)制器系統(tǒng)100包括調(diào)制器路徑102和反饋路徑104以形成調(diào)制器設(shè)備，調(diào)制器設(shè)備作為編碼過(guò)程的一部分通過(guò)每個(gè)路徑內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)調(diào)制器部件生成經(jīng)調(diào)制的數(shù)字輸出112，以便利將模擬信號(hào)編碼成數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)100的每個(gè)路徑(調(diào)制器路徑102和反饋104)包括調(diào)制部件，調(diào)制部件被耦合在路徑或者通信信道內(nèi)以對(duì)模擬輸入110進(jìn)行轉(zhuǎn)換、整形、濾波、采樣或調(diào)制以生成經(jīng)調(diào)制的數(shù)字輸出112。路徑可以包括一個(gè)或多個(gè)通信信道或者通信管道，其可以包括類似部件作為用于處理的一個(gè)另外部件。
[0019]模擬輸入110可以與音頻信號(hào)(諸如取決于通過(guò)傳感器(諸如微電機(jī)傳感器(MEMS)、聲學(xué)傳感器或者其他類似傳感器部件)對(duì)來(lái)自音頻源的音頻信號(hào)或者如下文中進(jìn)一步描述和說(shuō)明的經(jīng)緩沖的傳感器信號(hào)的檢測(cè)而變化的連續(xù)音頻波)成比例。與調(diào)制器系統(tǒng)100的這樣的組合形成用于在例如移動(dòng)設(shè)備(諸如移動(dòng)電話、平板計(jì)算機(jī)或者筆記本PC或者其他類似設(shè)備)中的音頻記錄中使用的數(shù)字麥克風(fēng)。因此，麥克風(fēng)可以被配置成使用高達(dá)HOdBSPL或更高的SPL操作，并且可以向例如系統(tǒng)微控制器單元遞送數(shù)字輸出112。結(jié)合傳感器設(shè)備(駐極體或者M(jìn)EMS麥克風(fēng))，系統(tǒng)100和用于緩沖MEMS輸出或其他傳感器輸出的模擬處理塊在ASIC(未示出)上的集成可以執(zhí)行這樣的音頻系統(tǒng)的信號(hào)讀出以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0020]—方面，可以經(jīng)由調(diào)制器100實(shí)現(xiàn)大約HOdBSPL的最大SPL，并且因此用于麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍目標(biāo)可以是例如大約140dB。這一目標(biāo)可以動(dòng)態(tài)地變化如增加或減小，例如被釋放以在較低SPL水平處允許一定量的噪聲。包括系統(tǒng)100的麥克風(fēng)設(shè)備例如能夠遞送相對(duì)于94dBSPL(IPa)的SPL超過(guò)66dB的信噪比(SNR)。對(duì)于該信噪比，例如，最低可檢測(cè)SPL可以是與大約112dB的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)的28dBSPL，同時(shí)具有大約HOdBSPL的最大輸入水平。還預(yù)想了如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解的其它范圍。
[0021]反饋路徑104耦合到經(jīng)調(diào)制的數(shù)字輸出112并且經(jīng)由求和節(jié)點(diǎn)108耦合到模擬輸入110，并且可以操作以提供預(yù)定閾值到對(duì)噪聲功率的折中被接受的SNR水平上。例如，DAC 106經(jīng)由操作以根據(jù)輸入電壓擺動(dòng)來(lái)動(dòng)態(tài)地影響輸入信號(hào)的求和節(jié)點(diǎn)108來(lái)將反饋路徑104集成到調(diào)制器路徑102。假定電壓模式操作，DAC 106被配置成作為到調(diào)制器路徑102的電壓源來(lái)操作，并且根據(jù)經(jīng)調(diào)制的數(shù)字輸出112向求和節(jié)點(diǎn)108生成移位求和節(jié)點(diǎn)電壓值(例如幅度)的反饋電壓Vfeedback0
[0022]DAC 106操作以根據(jù)經(jīng)調(diào)制的輸出112來(lái)調(diào)節(jié)反饋電壓Vfeedback，其進(jìn)一步經(jīng)由求和節(jié)點(diǎn)108反映在模擬輸入110處的模擬信號(hào)的電壓值或者電壓擺動(dòng)。例如，如果輸入信號(hào)電壓的值增加，則浮動(dòng)電壓增加并且DAC 106生成負(fù)反饋電壓并且負(fù)反饋電壓由于經(jīng)調(diào)制的數(shù)字輸出112的反饋而經(jīng)由求和節(jié)點(diǎn)108被施加到調(diào)制器路徑102。此外，如果輸入電壓增加或者變?yōu)樨?fù)，則DAC 106可以操作以生成例如包括被配置成維持在調(diào)制器路徑102的輸入處的電壓信號(hào)的值的負(fù)反饋電壓。
[0023]DAC 106可以便利取決于在模擬輸入110處的模擬信號(hào)(模擬輸入電壓)的信號(hào)值的模擬噪聲和失真貢獻(xiàn)的生成，并且因此能夠通過(guò)折中在大約10dBSPL或更大(例如大約112dB)處的SNR或者折中在大約104dBSPL或更大處的THD來(lái)折中在較高輸入信號(hào)電平處的經(jīng)調(diào)制的輸出112的SNDR(THD)/SNR水平。因此，DAC 106被配置成預(yù)先確定SNDR/SNR上的頂蓋或者極限集合，使得隨著輸入信號(hào)功率增加，由調(diào)節(jié)器提供SDNR/SNR水平或者其被部分地抑制水平的增加。例如，可以諸如在大約_36dB全尺度(dBFS)的特定輸入電壓功率電平處由DAC生成SDNR/SNR的頂蓋。由DAC 106提供的頂蓋或者極限因此可以抑制或者減輕超過(guò)這些參考級(jí)的SDNR/SNR的進(jìn)一步增加。因此，在信號(hào)功率增加時(shí)，允許噪聲功率或者THD的增加，其操作以降低或者阻止SNDR/SNR水平。這些折中例如在下面被進(jìn)一步詳述并且可以操作以限制、緩解或者減小在輸入信號(hào)電平增加到預(yù)