專利名稱:1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及根據(jù)西格馬-德耳塔調(diào)制原理的高分辨率的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其可以用在多標(biāo)準(zhǔn)或多載波基本收發(fā)站(“軟件廣播”)中。此外如此的轉(zhuǎn)換器適合于所有技術(shù)問題說明,在這些問題說明中1位量化數(shù)字信號必須轉(zhuǎn)換為模擬信號。
一個如此的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的任務(wù)在于,把數(shù)字的輸入值、也就是-1和+1變換為模擬電壓或電流脈沖。如此的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器基于一個德耳塔調(diào)制,其可以看作不同脈沖代碼調(diào)制的特殊情況。在理想情況下,對此應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生脈沖,該脈沖在變換器的經(jīng)過一個位的持續(xù)時間的過程中是絕對相同的,并且僅僅在極性上有區(qū)別。如此的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用于DS模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(DS-德耳塔西格馬)和DS數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)域。在DS模-數(shù)轉(zhuǎn)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,并且取樣值的字寬降低到直至1位。在DS數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的相反的情況下,在相應(yīng)的情況下產(chǎn)生一個1位數(shù)據(jù)流,并且接著供給一個1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器。在這個數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的輸出端上產(chǎn)生一個頻譜,其在關(guān)注的頻帶內(nèi)與數(shù)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(guān)注的頻帶內(nèi)與數(shù)字輸入頻譜一致的前提條件是,對于所有脈沖輸出脈沖的積分在值上是相同的,并且僅僅根據(jù)數(shù)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,脈沖積分僅僅應(yīng)該依賴于數(shù)字輸入值,不依賴于數(shù)字的以前值。對于具有高動態(tài)范圍的轉(zhuǎn)換器,因此本身同樣不必避免正和負脈沖的不對稱,比如前面數(shù)據(jù)位的最低的副作用,其稱作記憶效應(yīng)。
從文獻“實現(xiàn)在InP HBT技術(shù)中的一個3.2GHz的第二級的德耳塔-西格馬調(diào)節(jié)器”,IEEE J.的固態(tài)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(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其信號單元IDAC從一個開關(guān)單元(具有開關(guān)信號DAC-輸入的晶體管)上經(jīng)過一個共射-共基放大器去耦。
從5638011 US中公開了一個1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其開關(guān)單元Q2經(jīng)過一個共射-共基放大器從通過Q1形成的信號單元上并且從通過Q3形成的輸出端上去耦。
圖9A、9B和10A、10B指出了1位數(shù)-模轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器的線性高效率的微波功率放大器”,IEEE微波和導(dǎo)波論文,第8卷,第3章,1998年3月,121-123頁,并且在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(diào)節(jié)器”,IEEEJ.固態(tài)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(shù)-模轉(zhuǎn)換器電路,在該電路中由一個包括由一個不同數(shù)字輸入信號DATAP、DATAM控制的開關(guān)S1和S2的開關(guān)單元把一個由電流脈沖形成單元產(chǎn)生的電流脈沖串或一個恒定電流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晶體管T1、T2實現(xiàn)這二個開關(guān)S1、S2。在按照
圖10A的方案中,反之由不同數(shù)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。在完全類似于根據(jù)圖9A的方案中電壓UP或者UM可以是恒定的,或具有一個預(yù)先給定的脈沖波形。
在按照圖9A和9B或者同樣10A和10B的電路中,基于所用元件的非理想性產(chǎn)生輸出端的相互間影響,該影響違背了對一個1位模-數(shù)轉(zhuǎn)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(chǔ),即借助于電流開關(guān)S1、S2依賴于不同數(shù)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對此可以采用一個恒定的值、一個所謂的NRZ脈沖或具有一個已經(jīng)預(yù)先成形的脈沖形狀。為了低地保持晶體管特性或者開關(guān)特性的泄漏作用、參見圖9B、即補償電壓,應(yīng)當(dāng)快速地通過開關(guān)晶體管T1、T2的保持平衡的狀態(tài),這對于開關(guān)運行來說是普遍的。這意味著,借助于二個輸入端輸出脈沖的形成是不適合的。該方案的內(nèi)在缺點因此在于,例如一個跟隨在數(shù)字值“-1”之后的數(shù)字的“+1”不一樣地估算為一個同樣在其前面有一個“+1”的數(shù)字的“+1”。在第一種情況中進行電流開關(guān)S1或者S2的轉(zhuǎn)換過程,該過程由于開關(guān)晶體管T1、T2的非理想性必然與串?dāng)_效應(yīng)和開關(guān)瞬態(tài)聯(lián)系在一起,而在第二中情況中絕對不觸發(fā)開關(guān)過程,并且因此沒有如此的效應(yīng)。這導(dǎo)致在數(shù)-模轉(zhuǎn)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(jù)圖9B描述的特性,這是明顯的。
本發(fā)明基于這個任務(wù),建立一個1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,降低其非對稱的特性。
這意味著,所應(yīng)用開關(guān)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(yīng)。或能夠避免由于所用元件的非理想性引起的相互影響。如果脈沖作為輸出信號產(chǎn)生,則這些脈沖在其經(jīng)過一個位的持續(xù)時間的過程中是絕對相同的,在產(chǎn)生輸出信號積分時對于所有脈沖積分的值在值上是相同的。本身應(yīng)當(dāng)沒有避免在脈沖中的非對稱性。
通過獨立權(quán)利要求1、4和7的特征解決這個任務(wù)。本發(fā)明的擴展是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
本發(fā)明涉及具有二個輸入端、一個或二個輸出端、開關(guān)單元以及一個或二個脈沖形成單元的1位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器,其中輸出端、開關(guān)單元和脈沖形成單元通過去耦單元相互去耦??梢酝ㄟ^共射-共基放大器緩沖級形成這樣的去耦單元,其中通過晶體管T5、T6、T7形成共射-共基放大器緩沖級。主要以起始電流驅(qū)動共射-共基放大器,其中可以預(yù)先規(guī)定在動態(tài)元件匹配級中恒定電流的相互間轉(zhuǎn)換。
此外本發(fā)明涉及具有一個或二個輸出端、二個輸入端、一個開關(guān)單元和一個或二隔脈沖形成單元的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其中成對地形成每個輸入端,并且在每個開關(guān)單元上如此形成一個第二開關(guān)單元,在輸入位的每個位變換時原則上迫使一個開關(guān)過程。
此外,在根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中在一個位的持續(xù)期間原則上在剛好輸入端的一個上存在一個“高”電平并在三個輸入端上剛好存在一個“低”電平。
最后在根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中通過晶體管形成開關(guān)元件。
此外在根據(jù)本發(fā)明的、具有一個或二個輸出端、二個輸入端、一個開關(guān)單元和一個或二個脈沖形成單元的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中,在電流開關(guān)的情況下在數(shù)據(jù)輸入端的開關(guān)過程期間脈沖形成單元的電流i轉(zhuǎn)換為一個恒定的、通過數(shù)據(jù)串可以不影響的值,并且在電壓開關(guān)的情況下在數(shù)據(jù)輸入端的開關(guān)過程期間脈沖形成單元的相應(yīng)電壓差轉(zhuǎn)換為一個恒定的、通過數(shù)據(jù)串可以不影響的值。
在電流開關(guān)i的情況下電流i主要采用值0,并且在電壓開關(guān)的情況下相應(yīng)的電壓差采用值0。
根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的電路形式有益地用在較高字寬的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器電路中。
根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的電路形式此外有益地用在n位轉(zhuǎn)換器電路中、例如1.5位轉(zhuǎn)換器。如此的轉(zhuǎn)換器依賴于可以采用狀態(tài)+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(jù)附圖闡述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1指出了把數(shù)字輸入值轉(zhuǎn)換為電流脈沖的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的第一根據(jù)本發(fā)明的實施形式的電路圖,圖2指出了把數(shù)字輸入值轉(zhuǎn)換位電壓脈沖的根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的第一實施形式的電路圖,圖3指出了根據(jù)圖1的方案的一個第一實現(xiàn),圖4指出了根據(jù)圖3的電路的改進,圖5指出了把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為電壓脈沖的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的第二實施形式,圖6指出了把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為電流脈沖的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的第二實施形式的電流開關(guān)變體,圖7指出了根據(jù)圖6的電路圖的實現(xiàn),圖8指出了在第三實施形式的開關(guān)過程中電流調(diào)整的概括描述,圖9a和9b指出了一個已知的把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為電流脈沖的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,和圖10a和10b指出了把數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為電壓脈沖的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)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(shù)-模轉(zhuǎn)換器的已知形式已經(jīng)引論中已說明。
圖1或者圖2指出了把值“+1”、“-1”的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為電流(圖1)或者電壓脈沖(圖2)的根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的第一實施形式的概括描述。描述了數(shù)據(jù)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(jù)圖2的方案中由不同數(shù)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(guān)S1、S2或者S3、S4象征性地表示開關(guān)單元。為了避免由于所用元件的非理想性引起的相互間影響,輸出端、開關(guān)單元和脈沖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,因此不可能由于相互間的影響而干擾轉(zhuǎn)換功能。雖然在現(xiàn)實中去耦級也是非理想性的,并且因此不完全遵從理想的工作方式,可以已相應(yīng)的費用實現(xiàn)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(guān)級上去耦并且這些開關(guān)級再從脈沖形成單元上去耦。
圖3指出了圖1的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的電路圖的實現(xiàn)。在這種情況下通過上面的包括二個晶體管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晶體管的T7的共射-共基放大器級形成的去耦級EKB。通過相應(yīng)電壓UCASC1或者UCASC2串接相應(yīng)的晶體管T5、T6和T7的基極。通過共射-共基放大器緩沖級實現(xiàn)相應(yīng)的去耦。
圖4指出了根據(jù)圖3的通過共射-共基放大器緩沖級實現(xiàn)的電路的改進,在該改進中以起始電流IV1和IV2驅(qū)動上面的共射-共基放大器級、即去耦級EKA,以便降低在開關(guān)過程期間開關(guān)晶體管T5和T6的集電極電壓的波動。由于起始電流IV1、IV2中的差別導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的顯著干擾,所以預(yù)先規(guī)定一個所謂的動態(tài)元件匹配DEM,這引起供給動態(tài)元件匹配DEM的恒定電流I1、I2的相互間的轉(zhuǎn)換。由此實現(xiàn),通過二個共射-共基放大器晶體管T5和T6的起始電流IV1、IV2在時間上平均具有準(zhǔn)確相同的值。
一個如此的動態(tài)元件匹配引起,在時間上平均實現(xiàn)在輸出狀態(tài)中彼此偏差的功能元件的一致。這是通過有節(jié)拍地交換功能元件的功能實現(xiàn)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(tǒng)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指出了不僅用于電壓驅(qū)動(圖5)而且用于電流驅(qū)動(圖6)的根據(jù)本發(fā)明的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的第二實施形式的概括描述。為了獨立于前面的位實現(xiàn)數(shù)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(guān)過程,其中例如也可以在不改變輸入位的情況下出現(xiàn)一個位變換。在一個位的持續(xù)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”電平并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(shù)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),也就是說獨立于特殊的數(shù)據(jù)信號串在每個位變換時,在四個數(shù)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(yōu)點在于,在輸入位的估算中不再存在內(nèi)在的非對稱性。這是通過開關(guān)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(xiàn)的。在圖7中描述了一個如此電路的實現(xiàn),在該電路中通過晶體管T1、T2以及T9和T10形成圖6的開關(guān)、也就是S1、S2、S5和S6。
圖8指出了本發(fā)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(jù)圖9A的已知電路的方案。該電路方案的工作原理基于,饋給的電流i(脈沖形成單元)借助于電流開關(guān)S1、S2依賴于不同數(shù)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采用一個恒定值(NZR脈沖)或也可以具有一個已經(jīng)預(yù)先成形的脈沖形狀。所有預(yù)知的解決方案對此享有這個特性,輸入電流i在開關(guān)過程期間具有一個并不微小的數(shù)值。根據(jù)本發(fā)明,輸入電流i在開關(guān)過程期間具有一個恒定的、通過可以不影響數(shù)據(jù)串的值控制的數(shù)值、例如通相應(yīng)調(diào)整(沒有描述),因此可以排除前面數(shù)據(jù)位的副作用。為了此外盡可能小地保持在開關(guān)過程中出現(xiàn)的開關(guān)瞬態(tài),在開關(guān)過程期間盡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(guān)過程期間輸入電流i的波動。不可能出現(xiàn)記憶效應(yīng)。為了相對在脈沖形成的輸入電流i的時鐘內(nèi)消除在數(shù)據(jù)時鐘期間相位抖動的干擾影響,注意,在開關(guān)過程期間對于足夠大的持續(xù)時間電流i保持?jǐn)嚅_。在圖8中描述了產(chǎn)生的脈沖波形。
原則上在圖10A的電壓開關(guān)的情況下也應(yīng)用這個原理。在這種情況下必須保證,在開關(guān)過程的環(huán)境下在輸出端OUT和輸入電壓UP和UM之間不出現(xiàn)電壓差或者恒定保持電壓差。
所闡述的把輸入電流調(diào)整到零或接近于零的方法或者電壓差OUT-UP或者OUT-UM的相應(yīng)調(diào)整自然同樣可以應(yīng)用在1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的另外實施形式中。
此外上面描述的根據(jù)本發(fā)明的實施形式可以整體集成,特別可以用在移動通信范圍的基站的范圍內(nèi),用在移動多媒體范圍的基站中以及用在西格馬-德耳塔轉(zhuǎn)換器中,該轉(zhuǎn)換器不僅可以作為數(shù)-模轉(zhuǎn)換器而且也可以作為模-數(shù)轉(zhuǎn)換器實施。
權(quán)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(guān)單元(S1、S2;S3、S4)以及脈沖形成單元(i、UP、UM)的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,輸出端、開關(guān)單元和脈沖形成單元通過去耦單元(EKA、EKB;EKC、EKE和EKD)彼此去耦。
2.按照權(quán)利要求1的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,通過共射-共基放大器緩沖級形成去耦單元。
3.按照權(quán)利要求1的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,通過晶體管(T5、T6、T7)形成共射-共基放大器緩沖級。
4.按照權(quán)利要求3的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,以起始電流驅(qū)動共射-共基放大器。
5.按照權(quán)利要求4的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,在一個動態(tài)元件匹配級中預(yù)先規(guī)定恒定電流的相互間轉(zhuǎn)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(guān)單元(S1、S2;S3、S4)和脈沖形成單元(UP、UM;i)的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,成對地形成每個輸入端(DATAP1、DATAP2、DATAM1、DATAM2),并且在每個開關(guān)單元(S1、S2;S3、S4)上如此布置一個第二開關(guān)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(guān)過程。
7.按照權(quán)利要求6的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,在一個位的持續(xù)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,并且剛好在三個輸入端上存在一個“低”電平。
8.按照權(quán)利要求6或7之一的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,通過晶體管(T1、T2、T9、T10)形成開關(guān)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(guān)單元(S1、S2;S3、S4)和脈沖形成單元(UP、UM、i)的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,在電流開關(guān)的情況下脈沖形成單元(i)使在數(shù)據(jù)輸入端(DATAP、DATAM)的開關(guān)過程期間的電流i采用一個恒定的、可以通過數(shù)據(jù)串不受影響的值,并且在電壓開關(guān)的情況下脈沖形成單元(UP、UM)使相應(yīng)的電壓差(OUT-UP或者OUT-UM)在數(shù)據(jù)輸入端(DATAP、DATAM)的開關(guān)過程期間采用一個恒定的、可以通過數(shù)據(jù)串不受影響的值。
10.按照權(quán)利要求9的1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器,其特征在于,在電流開關(guān)i的情況下電流i幾乎或?qū)嶋H上采用值0,并且在電壓開關(guān)的情況下相應(yīng)電壓差(OUT-UP或者OUT-UM)幾乎或?qū)嶋H上采用值0。
11.驅(qū)動按照上述權(quán)利要求之一的電路的方法,其特征在于,在電流開關(guān)i的情況下電流i幾乎或?qū)嶋H上采用值0,并且在電壓開關(guān)的情況下相應(yīng)的電壓差(OUT-UP或者OUT-UM)幾乎或?qū)嶋H上采用值0。
12.按照權(quán)利要求1-10之一的電路在一個整體的集成電路中的應(yīng)用。
13.按照權(quán)利要求1-10之一的電路在移動通信范圍或移動多媒體范圍內(nèi)的一個基站中的應(yīng)用。
14.按照權(quán)利要求1-10之一的電路在一個西格馬-德耳塔轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。
15.按照權(quán)利要求1-10之一的電路在具有至少二位字寬的一個數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。
16.按照權(quán)利要求1-10之一的電路在一個1.5位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。
全文摘要
一個1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器具有輸出端、開關(guān)單元以及脈沖形成單元,其中輸出端、開關(guān)單元和脈沖形成單元通過去耦單元彼此去耦。此外一個1位數(shù)-模轉(zhuǎn)換器單元具有一個或二個輸出端、二個輸入端、一個開關(guān)單元和脈沖形成單元,其中成對地形成每個輸入端,并且在每個開關(guān)單元上如此布置一個第二開關(guān)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(guān)過程。此外在電流開關(guān)i的情況下電流i被調(diào)整到幾乎為零或?qū)嶋H為零,而在電壓開關(guān)的情況下相應(yīng)的電壓差調(diào)整到幾乎為零或?qū)嶋H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(yōu)先權(quán)日1999年3月22日
發(fā)明者H·克林 申請人:西門子公司