TW421925B - Video rate D/A converter with sigma/delta modulator - Google Patents

Description

4 2 1 9 2 「屮少η.·:ί(·ν·>ίόην_;ίίφ;·4'竹社印 ΐ A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明係關於一種根據申請專利範圍第1項之前言部分所 述之D/A轉換器。 f

I 本發明進一步係關於一種根據申請專利範圍第4項之前言 邵分將數位輸入信號轉換成類比輸出信號之方法。 已知多種音頻信號之D/A轉換器。兩種基本技術用於數 位至類比轉換器（D/A轉換器）。所謂Σ-△技術及電阻或電 容劃分器技術。Σ - △技術有其吸引力，原因爲藉由精密時 序替代精密匹配之晶片上組件如電阻器，Σ - △技術可達成 向度解析度。此外’薄膜生產上需要技藝精湛，且經過雷 射修整之組件難以獲得；但高速數位交換能力乃半導體業 界常見。 基本Σ-Δ D/A轉換器接收數位輸入信號，其與輸出信號 之反相反饋加總而產生錯誤信號。隨後錯誤信號經由積分 器及比較器處理獲得所謂之位元流輸出信號。此種使用時 間解析度替代波幅解析度之數位轉換技術徹底E配目前 CMOS技術’而其電源電壓下降及電晶體之特有速度增高。 Σ-Δ D/A轉換器可將量化雜訊成形出信號帶之外，任何超 出該範圍之雜訊於理想實務中皆係藉隨後之類比滤波器濾 掉。 Σ-Δ調變器經常需要過度採舞信號，過度採樣信號可由 内插器提供：D/A轉換器的輸入信號可在所謂的尼克司特 (Nyquist)比率或可能需要内插至更高比率隨後供给Σ_△調 變器。Σ - △ i周變器係使用高速數位時鐘控制時脈，該時鐘 可能與D/A轉換器的輸入時鐘不同。 木紙浓尺度中囷P4家標瑋（（’NS ) Λ4规格（21〇X 297公浼） (请先閱讀背面之注$項存填寫本頁)

A7 _______ B7_ 五、發明説明（2 ) 此種D/A轉換器由美國專利耵8-八-5,585,802爲 已知。 此種^知之D/A轉換器包含Σ_α調變器做爲所謂的雜訊 成形器，接著爲濾波器裝置。 此種：D/Α轉換器密集用於聲音頻帶及音頻頻帶用途，但 幾乎未曾用於大頻寬用途如视訊領域。 已知之D/A轉換器之缺點爲爲了將此等d/a轉換器用於 全頻寬視訊信號，需要超過2〇〇 MHz之工作頻率。此種極高 速電路難以達成。又極高速電路也散逸過多功率。 另一缺點爲已知D / A轉換器使用的濾波裝置需要大量所 謂的分接（乘法的分接）。 因此已知之D/A轉換器不適合視訊信號。 本發明之目的爲了克服先前技術之缺點及提供適合用於 全頻寬視訊信號之D/A轉換器。 爲了達到此項目的，本發明之第一方面係提供如申請專 利範固第1項之D/A轉換器。本發明之第二方面爲提供如申 請專利範圍第4項之方法。 藉由降低Σ-△調變器之樣本率，此種d/A轉換器可處理 全頻寬視訊信號而無需超過200 MHz之時脈頻率。 本發明之D / A轉換器之具體例包含如申請專利範圍第2項 之特徵。 替代使用一般採用並聯於串聯轉換器（需要2丨6 MHz時 脈），本發明之D/A轉換器係採用具有（例如於晶片上）濾波 組合的多相位後處理。 藉由使用多相位濾波，可降低時脈頻率。 _ -5- 尺度彳:料.(CNS ) Λ4規格（21GX297公兹 Γ ^ — - (請先閱讀背面之注意事項再填疼本頁)

:<""部屮·Α^^ΛΠ-Τ·^Φ;合什社印" 421泠兑5」礴 B7 五、發明说明（3 ) 本發明之D / A轉換器之具體例包含如申請專利範園第3 j真 之特點。 / 藉由4用延遲鎖定迴路（DLL) ’多相位fir濾波器裝置之 時脈頻率易由較低樣本率Σ-Δ調變器之時脈頻率獲得。 圖式之簡單説明 本發明之特點及其它特點可選擇性用於執行本發明，其 優點由參照後文所述實例及附圖所示説明將顯然舞明β附 圖顯示： 圖1爲根據本發明之D/A轉換器之方塊示意例， 圖2爲根據本發明之D/A轉換器之細節方塊示意例，及 圖3 a，b及c爲根據本發明之濾波裝置之實例之進一步細 ΑΛΓ 即 ° 對應之參考编號將用於各圖説明對應元件。 較佳具體例泛詳細説明 圖1顯示根據本發明之D/A轉換器DAC之方塊示意例，其 包含用於接收數位輸入信號以之輸入埠I。此種信號供给内 插裝置1用於將此輸入信號内插至經過内插的信號内部 Sis。藉由内插，該輸入信號不會由因數4(舉例）抽樣。此 種經過内插的信號Sis供給雜訊成形器3其包含較低樣本率 (RSR)之Σ-A調變器。 RSR碉變器產生平行樣本。整體構造設計爲當樣本使用單 純並聯至串聯轉換器（P/S)及時轉成串聯順序時，串聯順序 的頻譜及習知Σ-△調變器輸出的頻譜係於可接受的錯誤範 圍内。 -6 - 本紙从⑽ Λ1 11¾¾ 彳:彳牌(CNS ) Λ4^ ( 2Ι0Χ 297/J^l {請先閱绩背面之注項再嗔寫本頁} -β Λ 421 92 5 A7 B7 五、發明説明（4 ) RSR Σ - △調變器可於例如54 MHz之低樣本率替代習知Σ -△調變器需要約216 MHz，處理全頻寬視訊信號。

I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 雜訊ά形器供给中間信號Ssr給濾波裝置5用於處理（包括 濾波）此信號。 處理後，D/A轉換器DAC於輸出埠0供給類比輸出信號 S 〇 ° 圖2顯示根據本發明之D/A轉換器DAC2之細節方塊示意 例。於輸入埠12，D/A轉換器接收13.5 MHz頻率之數位8位 元輸入信號S2i〇此種輸入信號供給向上收樣（本實例爲因 數4)。内插裝置供給經過内插之信號S2is給包含第二級RSR Σ-△調變器231及編碼器233之信號成形器23。信號成形器 23透過濾波裝置25搞合至D/A轉換器之輸出埠〇2用於供 給類比輸出信號S2o。 RSR Σ- A |周變器23 1係藉第一時脈裝置2 7控制，本會例係 使用具有時脈頻率54 MHz之時脈信號csi控制。藉由使用 RSR Σ- △調變器’根據本發明之d / A轉換器可於較低樣本率 處理視訊信號。 編碼器233將中間信號格式（本實例爲5位元）轉成8位元格 式，其適合用於隨後濾波器。 時脈裝置2 7也供給時脈信號csl給延遲鎖定迴路 (DLL) 2 8。延遲鎖足迴路狻得4相位等距時鐘，附有時脈信 號cs2及四種相位差異。此等信號供給第二時脈裝置29， 第二時脈裝置2 9以某種時脈頻率控制濾波裝置2 5，該時脈 頻率於本例爲RSR Σ- △調變器之時脈頻率的兩倍。 本紙洛尺度適7丨]中阔丨智象標中（（:NS ) Λ4現格（2丨〇乂297公於） A7 B7 421925 五、發明説明（5 ) 藉此方式可處理全頻寬視訊信號而無需作動△調變器 及以高達54X4 = 216 MHz之時脈頻率作動濾波裝置。 替代奋用已知之常用並聯至串聯轉換器（需要216 MHz時 脈），此種轉換器採用多相位後處理組合（例如晶片上）遽 ，： 波0 藉由使用多相位滤波，可使用較低時脈頻率。 圖3中’圖3 a，3 b及3 c分別以簡化形式（5 1，圖3 a)，信 號處理方案（52，圖3b)及執行方案（53，圖3c)顯示濾波裝 置 5 1，5 2，5 3。 滤波裝置做爲所謂的後處理器。後處理器於本實例係執 行做爲半數位電路含有多相位並聯至_聯轉換器及目前模 線性相位FIR重建濾波器。多相位後處理係藉四相位等距 時間時鐘產生的時脈信號控制（DLL 28之輸出，參考圖2)， 多相位後處理.用於申聯化並聯位元。替代使用單純並聯至 串聯轉換器（需要216 MHz時脈），D/A轉換器實例係採用多 相位後處理合併額外晶片上濾波。 使用多相位後處理之主要動力係爲了降低要求的晶片上 時脈頻率’同時爲了使用晶片上濾波器來大爲減化離晶片 (視訊-)濾波器的需求。整合於本實例之濾波器允許外部濾 波器減少至典型至單一 RS段。 圖3 a顯示多相位後處理（多相位串聯化）之簡化形式，包 含形成一輸入崞（信號So)其爲調變器Xn (32，33，34， 35)之輸出埠之加法器31與藉相同移相波形調變之各元 件的線性組合，如圖3 a之示例説明。調變波形之最簡單形 (請先閱讀f面之注意事項再填茗本頁}

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421 92 5 AV I—.B7 五、發明説明（6 ) * 式（Ψ8)可爲具有相同脈波寬度之相移脈波列。然後串聯化 順序之頻譜可藉脈波列頻譜（時脈）修改。依據脈波寬度而

J 定，此75預定的效果，原因爲其可衰減部分偏離頻帶頻譜 (此種頻譜爲雜訊），結果簡化隨後重建濾波器的需求。· 進一步簡化外部濾波器複雜度之步驟係使用橫向FIr濾波 器，其於離頻帶頻譜部分提供充份衰減。此種濾波器可以 多相位形式執行，因而避免高頻時脈的需求β 圖3b顯示於本D/Α轉換器執行的相等二相位濾波之分立 時間代表圖之一例，其輸入爲串聯法順序。濾波係由兩個 相同的線性相位（對稱）1 7_分接低通FIR濾波器，卞（z2)組 成，各FIR遽波器係於位元流順序之一半速率操作（於本實 例爲108 MHz)。於各路徑於濾波器前方分別設置向下抽樣 器4 5，4 5 ’。此種二相位處理之總操作相當於透過半頻帶 線性相位33-分接Loa-通FIR濾波器，P(z)，於位元流速率 操作（本實例爲216 MHz)濾波串聯化序列χ [NT/q]。然後每 隔一次抽樣P(z)之脈衝反應，而非零樣本等於-p(z2)之脈 衝反應。如圖3 b所示，各段之輸出於向上抽樣器4 7 , 4 7， 向上抽樣後於加法器46組合，因此最终輸出順序係與以較 问比率操作之P (z)之輸出速率相等。此種半頻濾波器之頻 率響應於108 MHz之整數倍數的頻率重覆進行。 圖3c顯示多相位後處理器之簡化實務。各濾波器之輪出 電流於電阻器上加總。調變器之各2位元輸出藉由控制非舌 #54驗時脈（ψ13)_聯化而獲得各m濾波器之1位元^ MHz資料率輸人。*相同時脈相位控制㈣個相㈣波器 -9- 木紙从度糾標冬（（'NS ) Λ4^Τ1Τ^^97公^ (请先閲請fvg之注意事項再填寫本頁)

P] 3 2 5 ^ A7 __________ B7 五、發明説明（7 ) ~一·'—~ 用於處理調變器之各4位元輪出。因各交換電流保持常數歷 2/fs時間（亦即脈波-寬度調變效應），故以 sin(2rif/fs)(2IIf/fS)頻率響應之額外低通濾波。 此種濾波器於fs/2之非零整數倍數頻率含有結構零，其 重合未受p (Z)抑制頻率。 此種D/A轉換器之重建處理之整體效果等於透過33_分接 濾波器P(Z)之串接濾波調變器之簡單串聯化輸出：以脈波 寬度2/fs做脈波-寬度調變，及外部R c濾波。剩餘高頻成 份受非於晶片上之R C濾波抑制，該電容器主要爲小寄生電 容。 需注意可任意選用所述向上抽樣因數及第一及第二時脈 裝置之時脈頻率。 於濾波裝置之後，D/Α轉換器僅需完整整合於晶片外側 之簡單RC濾波。 前文有關本發明之構想係基於細節實例説明。業界人士 了解屬於本發明相關範圍之多種不同解決之道。 本發明提供具較低樣本率之Σ-Α調變器之d/a轉換器。 又’本發明提供一種可優異地使用多相位遽波執行之後 處理。 -10- 木紙乐尺度適州中國四家標今) Λ4规格（Ιϋ97公澄)一- (請先閎請背面之注#^項再填"本頁)

Claims (1)

1. ABCD 421 92 5 六、申請專利範園 1. 一種數位至類比轉換器（D/A轉換器），其包含一輸入埠 用於接收一數位輸入信號，内插裝置用於内插輸入信號 及供给一經過内插的信號，一雜訊成形器用於將經過内 插的數位k號轉換成一中間信號，及滤波裝置用於處理 中間仏號及供給一類比輸入信號，該轉換器之特徵爲該 雜訊成形器包含藉時脈裝置控制之較低樣本率之Σ_Α調 變器（sigma delta modulator)。 2. 如申請專利範圍第1項之D/A轉換器，其特徵爲該濾波 裝置包含一多相位FIR濾波裝置。 3 ·如申請專利範圍第2項之D/A轉換器，其特徵爲該多相 位FIR濾破裝置係藉第二時脈以某種時脈頻率控制，該 時脈頻率係高於較低樣本率之Σ - A調變器之時脈頻率， 並透過延遲鎖定迴路搞合較低樣本率之£ _ △調變器之第 一時脈裝置。 4 . 種和數位輸入t號轉變成類比輸出信號的方法，其包 含内插輸入信號之一經過内插之信號，轉換經過内插的 信號成爲一中間信號及處理該中間信號之供給類比輸出 信號’ ·該方法之特徵爲該轉換乃一種較低樣本率之艺_ △ 調變。 5 .如申請專利範園第4項之方法，其特徵爲該中間信號之 處理屬於一種多相位FIR濾波。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） n 1 - - *^1 ί Λ— I----- - Js I -- - I {請先閲讀背面之注意事項再填寫本IK ) 訂 經濟部t失標準局員工消费合作社印f