具有大輸入阻抗的甚高動態范圍開關電容器adc的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開內容涉及模數轉換器(ADC)，并且更具體地涉及能夠處理大輸入信號范圍同時具有高輸入阻抗以用于例如在音頻系統中容忍在大輸入信號電平處的增加的失真和噪聲的應用的開關電容器ADC。
【背景技術】
[0002]高性能音頻記錄技術的趨勢是支持聲壓級(SPL)的甚高動態范圍，聲壓級通常與作為標準參考級的人類聽覺閾值相比較而以dB為單位被測量。在20 μ Pa(rms)的壓力級處的可聽度下限被定義為OdBSPL的SPL。可以相對于這一水平進行聲級測量。例如，IPa (rms)的壓力級等于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用范圍。工程音頻系統或者麥克風系統的一個問題是提供適應大動態范圍的、具有低功耗的架構。因此，需要設計音頻系統和部件以高效地處理高SPL水平。
【附圖說明】
[0003]圖1是圖示根據所公開的各個方面的A/D轉換器系統的框圖；
[0004]圖2是圖示根據所描述的各個方面的音頻系統的框圖；
[0005]圖3是圖示根據所描述的各個方面的另一 A/D調制器系統的框圖；
[0006]圖4是圖示根據所描述的各個方面的關于輸入電壓的信噪功率的圖；
[0007]圖5是圖示根據所描述的各個方面的調制器的另一框圖；
[0008]圖6圖示根據所描述的各個方面的另一音頻系統；
[0009]圖7是根據所描述的各個方面的仿真圖；以及
[0010]圖8是圖示根據所描述的各個方面的調制器的另一方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0011]現在將參考附圖描述本公開內容，其中相似的附圖標記始終用于指代相似的要素，并且其中所圖示的結構和設備未必按比例繪制。如本文中所使用的，術語“部件”、“系統”、“接口”等意在指代計算機相關的實體、硬件、軟件(例如執行的)和/或固件。例如部件可以是具有處理設備的電路、處理器、在處理器上運行的進程、控制器、對象、可執行文件、程序、存儲設備、計算機、平板電腦和/或移動電話。僅作為說明，在服務器上運行的應用和服務器也可以是部件。一個或多個部件可以駐留在進程中，并且部件可以被局限在一個計算機上和/或分布在兩個或多個計算機之間。本文中可以描述元件的集合或者其他部件的集合，其中術語“集合”可以被解釋為“一個或多個”。
[0012]另外，這些部件可以從具有存儲在其上的各種數據結構(諸如具有模塊)的各種計算機可讀存儲介質來執行。部件可以經由本地和/或遠程進程諸如根據具有一個或多個數據分組(例如本地系統中、分布式系統中和/或通過網絡(諸如因特網、局域網、廣域網或者類似網絡)(經由信號與另一系統)來自與另一部件交互的一個部件的數據)的信號來通信。
[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或多個處理器執行的軟件應用或固件應用來操作。一個或多個處理器可以在裝置內部或者外部并且可以執行軟件或固件應用的至少部分。作為又一示例，部件可以是通過電子部件提供具體功能而沒有機械零件的裝置；電子部件可以在其中包括執行軟件和/或固件(至少部分給予電子部件的功能)的一個或多個處理器。
[0014]詞語“示例性”的使用意在以具體方式呈現概念。如本申請中所使用的，術語“或者”意在表示包括性的“或者”而非排他性的“或者”。也就是，除非另外規定或者根據上下文很清楚，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。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(a)”和“一個(an)”如本申請和所附權利要求中所使用地通常應當被理解為表示“一個或多個”，除非另外規定或者根據上下文很清楚其指代單數形式。另外，為了擴展術語“包括(including)，，、“包括(includes) ”、“具有(having) ”、“具有(has)，，、“具有(with) ”或者其變型在詳細描述或權利要求中使用，這樣的術語以類似于術語“包括(comprising) ”的方式意在包括。
[0015]考慮到用于運行具有大動態范圍和低功率的音頻部件的音頻系統的上述缺陷，描述一種音頻系統、開關電容器調制器或者模數轉換器(ADC)，其生成對噪聲和失真的折中以促進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換器的SNDR相比在相同信號電平處理論上可獲得的SNDR。例如，音頻系統的開關電容器調制器包括接收諸如模擬輸入信號等輸入信號并且將輸入調制成經調制的數字輸出的調制路徑。反饋路徑將經調制的輸出結合到調制器路徑的輸入端子。浮動電壓源反饋數模轉換器(DAC)被配置成根據在模擬輸入處的輸入擺動生成浮動電壓源。DAC基于輸入信號值以及來自數字輸出的控制信號來修改浮動電壓作為反饋電壓或者滑動電壓。反饋電壓作為浮動電壓被提供給調制器路徑并且通過DAC被動態地調節以最小化在求和節點處的輸入信號擺動。例如，響應于輸入信號電壓幅度值的增加，反饋電壓被增加并且由反饋DAC在求和節點處施加負反饋。
[0016]高動態范圍系統通常在更高輸入信號電平處不要求大的SNDR。例如聲學系統通常在?IlOdBSPL以上的SPL水平處不要求大的SNDR。所公開的系統因此可以操作以對可獲得的SNR進行折中，其很大程度上是由于模擬噪聲造成的。由于人類聽覺感知，相對大的失真水平(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，其使得能夠進一步優化音頻系統。下面參考附圖進一步描述本公開內容的另外的方面和細節。
[0017]圖1圖示根據所描述的各個方面的生成到用于反饋電壓的調制器路徑的浮動電壓源的A/D調制器系統的示例。調制器系統100操作以通過在求和節點108中緩解這些擺動以提供比被接收至調制器路徑102的輸入明顯更小的信號值來經由DAC 106適應在模擬輸入110處的大電壓擺動。調制器系統100包括諸如Δ-Σ調制器之類的調制器或者其他類似的調制器，其能夠操作以同時(幾乎同時)處理一個比特或者多個比特而使用調制器路徑102和反饋路徑104生成經調制的信號輸出112。
[0018]調制器系統100包括調制器路徑102和反饋路徑104以形成調制器設備，調制器設備作為編碼過程的一部分通過每個路徑內的一個或多個調制器部件生成經調制的數字輸出112，以便利將模擬信號編碼成數字信號。系統100的每個路徑(調制器路徑102和反饋104)包括調制部件，調制部件被耦合在路徑或者通信信道內以對模擬輸入110進行轉換、整形、濾波、采樣或調制以生成經調制的數字輸出112。路徑可以包括一個或多個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另外部件。
[0019]模擬輸入110可以與音頻信號(諸如取決于通過傳感器(諸如微電機傳感器(MEMS)、聲學傳感器或者其他類似傳感器部件)對來自音頻源的音頻信號或者如下文中進一步描述和說明的經緩沖的傳感器信號的檢測而變化的連續音頻波)成比例。與調制器系統100的這樣的組合形成用于在例如移動設備(諸如移動電話、平板計算機或者筆記本PC或者其他類似設備)中的音頻記錄中使用的數字麥克風。因此，麥克風可以被配置成使用高達HOdBSPL或更高的SPL操作，并且可以向例如系統微控制器單元遞送數字輸出112。結合傳感器設備(駐極體或者MEMS麥克風)，系統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)上的集成可以執行這樣的音頻系統的信號讀出以及模數轉換。
[0020]—方面，可以經由調制器100實現大約HOdBSPL的最大SPL，并且因此用于麥克風的動態范圍目標可以是例如大約140dB。這一目標可以動態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100的麥克風設備例如能夠遞送相對于94dBSPL(IPa)的SPL超過66dB的信噪比(SNR)。對于該信噪比，例如，最低可檢測SPL可以是與大約112dB的動態范圍對應的28dBSPL，同時具有大約HOdBSPL的最大輸入水平。還預想了如本領域普通技術人員能夠理解的其它范圍。
[0021]反饋路徑104耦合到經調制的數字輸出112并且經由求和節點108耦合到模擬輸入110，并且可以操作以提供預定閾值到對噪聲功率的折中被接受的SNR水平上。例如，DAC 106經由操作以根據輸入電壓擺動來動態地影響輸入信號的求和節點108來將反饋路徑104集成到調制器路徑102。假定電壓模式操作，DAC 106被配置成作為到調制器路徑102的電壓源來操作，并且根據經調制的數字輸出112向求和節點108生成移位求和節點電壓值(例如幅度)的反饋電壓Vfeedback0
[0022]DAC 106操作以根據經調制的輸出112來調節反饋電壓Vfeedback，其進一步經由求和節點108反映在模擬輸入110處的模擬信號的電壓值或者電壓擺動。例如，如果輸入信號電壓的值增加，則浮動電壓增加并且DAC 106生成負反饋電壓并且負反饋電壓由于經調制的數字輸出112的反饋而經由求和節點108被施加到調制器路徑102。此外，如果輸入電壓增加或者變為負，則DAC 106可以操作以生成例如包括被配置成維持在調制器路徑102的輸入處的電壓信號的值的負反饋電壓。
[0023]DAC 106可以便利取決于在模擬輸入110處的模擬信號(模擬輸入電壓)的信號值的模擬噪聲和失真貢獻的生成，并且因此能夠通過折中在大約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來折中在較高輸入信號電平處的經調制的輸出112的SNDR(THD)/SNR水平。因此，DAC 106被配置成預先確定SNDR/SNR上的頂蓋或者極限集合，使得隨著輸入信號功率增加，由調節器提供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這些參考級的SDNR/SNR的進一步增加。因此，在信號功率增加時，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一步詳述并且可以操作以限制、緩解或者減小在輸入信號電平增加到預