專利名稱：用于優(yōu)化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及具有數(shù)模信號(hào)路徑的集成電路。
背景技術(shù)：
在具有數(shù)模信號(hào)路徑的集成電路或系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)重要的度量。這樣的電路或系統(tǒng)的一個(gè)示例是數(shù)字音頻回放設(shè)備，諸如mp3播放器、CD播放器或移動(dòng)電話。這樣的回放設(shè)備具有如下所述的用于將以數(shù)字方式存儲(chǔ)或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用的模擬信號(hào)的部件。動(dòng)態(tài)范圍(DR)是諸如音頻信號(hào)幅度之類的可改變量的最小和最大可能值之間的比率。典型地，將DR作為比率而測(cè)量，該比率諸如10基(分貝)或2基(倍增(doubling)、 比特或擋位(stop))對(duì)數(shù)值。在包括數(shù)字音頻回放的大多數(shù)電系統(tǒng)中，分貝測(cè)量是標(biāo)準(zhǔn)。例如，16位光盤具有大約96dB的理論動(dòng)態(tài)范圍。具有20位數(shù)字化的數(shù)字音頻具有大約120dB DR的能力；類似地，24位數(shù)字音頻計(jì)算為大約144dB DR。在音頻回放系統(tǒng)中，慣例是將DR 作為相對(duì)于_60dB輸入信號(hào)的全范圍的總諧波失真加噪聲(THD+N)來測(cè)量。進(jìn)一步地，近似理論最大DR值有時(shí)相對(duì)于全Nyquist頻率帶寬測(cè)量來計(jì)算。在一些測(cè)量技術(shù)中，所測(cè)量的帶寬被從Nyquist率減少到可聽?zhēng)?，從而?dǎo)致所報(bào)告的動(dòng)態(tài)范圍值的增加。并且，所測(cè)量的輸出的頻譜可以使用可能變更DR值的工業(yè)接受的濾波器來變更。例如，一些測(cè)量技術(shù)通過對(duì)人耳的感知響應(yīng)進(jìn)行近似的A加權(quán)濾波器來對(duì)輸出進(jìn)行濾波。傳統(tǒng)地，數(shù)字音頻記錄和回放鏈包括輸入和輸出轉(zhuǎn)換器和相關(guān)聯(lián)的模擬電路， 其可能導(dǎo)致在理論最優(yōu)之下的顯著有限的實(shí)際DR。當(dāng)音頻路徑中的多個(gè)電路分別貢獻(xiàn)在-96dB水平的集成噪聲時(shí)，所觀察的16位DR可能顯著更低，甚至是90dB或以下。當(dāng)期望的信號(hào)水平低時(shí)，DR測(cè)量是對(duì)信號(hào)質(zhì)量的有用的指示。在音頻示例中，輕音樂或低音量音樂可能相比大聲的音樂更遭受不良DR的影響之害。圖I示出了可能具有受限D(zhuǎn)R性能的這樣的現(xiàn)有技術(shù)數(shù)模信號(hào)路徑100。數(shù)字輸入數(shù)據(jù)110耦合到數(shù)字增益塊120。數(shù)字輸入數(shù)據(jù)110可以是由天線接收的數(shù)字傳輸、存儲(chǔ)器中的所存儲(chǔ)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、或任何其他數(shù)字輸入源。注意到以下是重要的數(shù)字源不一定限于音頻數(shù)據(jù)，而是可以是任何類型的量化的或數(shù)字的信息。在實(shí)際中，數(shù)字輸入數(shù)據(jù)110 被建模為數(shù)字輸入數(shù)據(jù)110和由信號(hào)的量化性質(zhì)造成的固有量化噪聲112的組合。在圖I 中，量化噪聲112被示出為與數(shù)字輸入數(shù)據(jù)110相加，但注意到以下是重要的不存在物理的加法器115。相反，加法器115僅僅表示不可避免的量化噪聲112的添加。數(shù)字增益120 在整體信號(hào)仍然處于數(shù)字狀態(tài)時(shí)控制整體信號(hào)的增益。用于提供數(shù)字輸入數(shù)據(jù)UO的典型的信號(hào)源可以經(jīng)由解串化的IC間聲音(I2S)總線、SroiF解幀(de-framed)信號(hào)源、或來自壓縮MP3格式源的時(shí)域恢復(fù)信號(hào)。源數(shù)據(jù)典型地被插值以改進(jìn)瞬態(tài)信號(hào)質(zhì)量。數(shù)字增益 120典型地通過使用通用的數(shù)字乘法器的操縱來在整體信號(hào)仍然處于數(shù)字狀態(tài)時(shí)控制整體信號(hào)的增益。過多的數(shù)字增益可能導(dǎo)致數(shù)字碼中的溢出，這將典型地是截幅受限的，并且將不期望地劣化大幅度信號(hào)。來自數(shù)字增益塊120的經(jīng)過增益或經(jīng)過衰減的數(shù)字信號(hào)繼而被傳遞到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 130以進(jìn)行到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。每個(gè)DAC有效地將附加的噪聲注入到信號(hào)中，這可能取決于便利和習(xí)慣而是輸入相關(guān)的或輸出相關(guān)的。在圖I中，DAC輸入相關(guān)噪聲122被不出為與數(shù)字增益120的輸出相加。再一次地，不存在物理的加法器125，相反地加法器125 用作表示噪聲被注入到信號(hào)路徑中。DAC130的輸出與驅(qū)動(dòng)器和模擬增益140耦合，該驅(qū)動(dòng)器和模擬增益140也具有一些輸入相關(guān)噪聲132。加法器135僅僅表不更多的噪聲被注入到系統(tǒng)中。注意到以下是重要的并非所有現(xiàn)有技術(shù)都包括數(shù)字增益120和模擬增益控制器140兩者。一些系統(tǒng)可以僅僅包括其中的一種或另一種，或兩種都不包括。還注意到以下是重要的信號(hào)路徑100是高度簡(jiǎn)化的，并且可以沿信號(hào)路徑100放置具體應(yīng)用所需的許多其他組件。例如，經(jīng)常在DAC130以及驅(qū)動(dòng)器和模擬增益140之間放置模擬混頻器，并且每個(gè)附加的組件將必然向系統(tǒng)添加噪聲。信號(hào)路徑的整體增益由增益控制器150控制，該增益控制器150可以控制數(shù)字增益120和模擬增益140兩者。增益控制器150轉(zhuǎn)而由用戶控制器152來控制。應(yīng)當(dāng)在集成電路的用戶和終端產(chǎn)品的用戶之間進(jìn)行重要的區(qū)分。在其中可以存在該信號(hào)路徑的集成電路(例如，音頻編解碼器或處理器)的用戶很有可能是音頻電器的生產(chǎn)者，諸如生產(chǎn)其廣為流行的iPod 的Apple 或任何其他可想到的生產(chǎn)者。 這樣的用戶設(shè)計(jì)其中終端用戶(或例如iPod 的用戶)能夠像期望的那樣操縱音量的系統(tǒng)。一般地，生產(chǎn)者的系統(tǒng)使得終端用戶能夠利用單個(gè)控制輸入來操縱增益之一或兩者。一般地，終端用戶無法分離地操縱數(shù)字增益120以及驅(qū)動(dòng)器和模擬增益140，這是因?yàn)榻K端用戶為了簡(jiǎn)單和便利而更希望單個(gè)增益控制器。當(dāng)終端用戶在其音頻設(shè)備上操縱音量控制器時(shí)，由生產(chǎn)者設(shè)計(jì)的增益控制器150簡(jiǎn)單地利用數(shù)字增益120在數(shù)字域中添加增益和/或利用音頻增益140在模擬域中添加增益。然而，這樣的系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍沒有幫助，特別是在低水平信號(hào)中。在現(xiàn)有技術(shù)方案中，信號(hào)路徑中的多個(gè)模塊的噪聲貢獻(xiàn)需要來自每個(gè)模塊的更好的噪聲性能。然而，質(zhì)量更好和噪聲更低的模塊需要更大的裸片(die)尺寸和更多的電流。裸片尺寸是集成電路中最大的成本成分，并且增加的電流對(duì)于關(guān)心電池壽命的便攜電子設(shè)備的制造者來說是不期望的。進(jìn)一步地，集成電路行業(yè)整體是極為受到成本驅(qū)動(dòng)的，并且與更大的裸片尺寸相關(guān)聯(lián)的增加的成本是不期望的。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種用于增加DR而不顯著增加所消耗的功率或裸片尺寸的新型的電路和方法。數(shù)字信號(hào)水平檢測(cè)器確定數(shù)字增益何時(shí)應(yīng)當(dāng)被調(diào)節(jié)為最大化對(duì)于較低幅度輸入信號(hào)的數(shù)字增益，同時(shí)避免上述的截幅狀態(tài)，該截幅狀態(tài)導(dǎo)致當(dāng)大幅度輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換時(shí)的嚴(yán)重的信號(hào)劣化。除了數(shù)字信號(hào)水平檢測(cè)器之外，還引入自動(dòng)調(diào)節(jié)模擬增益和數(shù)字增益相對(duì)彼此的增益設(shè)置的動(dòng)態(tài)增益控制器。動(dòng)態(tài)增益控制器選擇性地最小化模擬增益，從而最小化對(duì)于信號(hào)路徑中的全部塊的相關(guān)聯(lián)的噪聲，同時(shí)最大化數(shù)字增益，從而使得由終端用戶設(shè)置的整體增益不受影響。在本發(fā)明的一方面中，一種用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的電路包括 輸入端，其用于接收輸入信號(hào)；耦合到所述輸入端的第一增益級(jí)，所述第一增益級(jí)具有第一增益設(shè)置；耦合到所述第一增益級(jí)的第二增益級(jí)，所述第二增益級(jí)具有第二增益設(shè)置；控制器，其用于動(dòng)態(tài)地選擇所述第一增益設(shè)置以最大化所述第一增益設(shè)置而不對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行截幅，以及選擇所述第二增益設(shè)置以實(shí)現(xiàn)期望的信號(hào)路徑增益；以及耦合到所述第二增益級(jí)的輸出端，其用于發(fā)送具有期望的整體信號(hào)路徑增益的輸出信號(hào)。優(yōu)選地，所述第一增益級(jí)包括數(shù)字增益級(jí)，并且所述第一增益設(shè)置包括供乘法增益級(jí)使用的數(shù)字增益設(shè)置。在一些實(shí)施例中，所述第一增益級(jí)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并且所述數(shù)字增益設(shè)置包括所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的反饋改變。并且，所述第二增益級(jí)包括模擬增益級(jí)，并且所述第二增益設(shè)置包括模擬增益設(shè)置。所述模擬增益可以按照任何數(shù)目的已知的、便利的或?qū)Ｓ玫姆绞絹韺?shí)施， 所述方式諸如離散增益臺(tái)階或模擬調(diào)節(jié)增益。用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的電路還包括用于檢測(cè)所述輸入信號(hào)的水平的輸入信號(hào)檢測(cè)器。所述輸入信號(hào)檢測(cè)器可以是任何便利的或?qū)Ｓ玫臋z測(cè)器，諸如RMS 水平檢測(cè)器、峰值水平檢測(cè)器、截幅檢測(cè)器、平均水平檢測(cè)器等。該電路進(jìn)一步包括耦合到所述控制器的用戶增益設(shè)置。所述用戶增益將確定作為第一和第二增益的相加的信號(hào)路徑增益。所述動(dòng)態(tài)增益控制器將在由用戶設(shè)置的信號(hào)路徑增益的約束內(nèi)并且避免所述第一增益級(jí)中的信號(hào)截幅而最大化所述數(shù)字增益并且最小化所述模擬增益。在一些實(shí)施例中，所述控制器將相對(duì)于所述第一增益設(shè)置的應(yīng)用而延遲所述第二增益設(shè)置的應(yīng)用，以補(bǔ)償所述第一增益級(jí)和所述第二增益級(jí)之間的信號(hào)路徑延遲。所述控制器將僅在指定時(shí)間段中輸入信號(hào)水平在指定閾值之下的情況下調(diào)節(jié)所述第一增益設(shè)置和所述第二增益設(shè)置。在本發(fā)明的另一方面中，一種用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的方法包括檢測(cè)數(shù)字輸入信號(hào)和期望的用戶增益水平；向所述數(shù)字輸入信號(hào)應(yīng)用第一增益；將所述數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；以及向所述模擬信號(hào)應(yīng)用第二增益，其中根據(jù)所述數(shù)字輸入信號(hào)而選擇性地和相逆地操縱所述第一和第二增益，同時(shí)維持所述期望的用戶增益水平。優(yōu)選地，可以利用使得瞬時(shí)改變對(duì)聽者不可感知的足夠小的增量改變來完成向所述數(shù)字輸入信號(hào)應(yīng)用所述第一增益。在其他實(shí)施例中，該方法包括所述數(shù)字信號(hào)中的過零的檢測(cè)，從而使得在所述信號(hào)非常小時(shí)調(diào)節(jié)增益水平，以最小化由增益改變導(dǎo)致的信號(hào)路徑干擾?？梢曰跀?shù)字過零檢測(cè)或模擬過零檢測(cè)電路來調(diào)節(jié)所述第二增益。在一些實(shí)施例中， 應(yīng)用所述第一增益包括改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的反饋環(huán)路的增益設(shè)置。動(dòng)態(tài)音量控制可以包括沖擊(attack)、衰減和保持控制以最小化增益改變行為的可感知性。


圖I示出了現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)模信號(hào)路徑。圖2示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)模信號(hào)路徑。圖3示出了根據(jù)本公開的另一實(shí)施例的數(shù)模信號(hào)路徑。圖4示出了根據(jù)本公開的另一實(shí)施例的數(shù)模信號(hào)路徑。圖5示出了最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的DR的方法。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化方法和裝置的實(shí)施例，在附圖中圖示所述實(shí)施例的示例。雖然將結(jié)合以下實(shí)施例描述本發(fā)明，但將理解，它們并非旨在將本發(fā)明限制為這些實(shí)施例和示例。相反，本發(fā)明旨在覆蓋可以包括在如所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的備選、修改和等價(jià)物。進(jìn)一步地，在對(duì)本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中，陳述許多具體細(xì)節(jié)以便更完整地例示本發(fā)明。然而，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明顯的是，可以沒
6有這些具體細(xì)節(jié)而實(shí)踐本發(fā)明。在其他情況中，并未詳細(xì)描述眾所周知的方法和過程、組件和處理，以免不必要地使本發(fā)明的各方面難以理解。當(dāng)然，將理解，在任何這樣的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的開發(fā)中，必須進(jìn)行許多特定于實(shí)現(xiàn)方式的決定以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如符合對(duì)于應(yīng)用和商業(yè)相關(guān)的約束，并且這些特定的目標(biāo)將從一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式到另一個(gè)以及從一個(gè)開發(fā)者到另一個(gè)而變化。此外，將領(lǐng)會(huì)，這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜并且耗時(shí)的，但對(duì)于具有本公開的益處的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說仍然將是慣例的工程任務(wù)。圖2示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)模信號(hào)路徑200。數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201耦合到第一增益。在本實(shí)施例中,第一增益包括數(shù)字增益210。數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201可以源自存儲(chǔ)器，經(jīng)過天線、有線連接或任何其他部件。數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201可以來源自例如I2S編碼數(shù)據(jù)、AC97編碼數(shù)據(jù)、SPDIF編碼數(shù)據(jù)、或任何其他已知或?qū)Ｓ脭?shù)字編碼方案。量化噪聲202 被表示為通過加法器203被注入到信號(hào)路徑200中。加法器203僅僅是固有量化噪聲202 的表示，并且不被物理地體現(xiàn)為信號(hào)路徑200內(nèi)的模塊。數(shù)字增益210能夠操縱數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201的信號(hào)水平。如上所述，向數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201添加增益不僅僅涉及對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行電放大。相反，信號(hào)的實(shí)際數(shù)字表示被以數(shù)字方式操縱。實(shí)現(xiàn)數(shù)字增益改變的一種手段是數(shù)字增益210內(nèi)的數(shù)字乘法器函數(shù)。設(shè)置過高的數(shù)字增益210內(nèi)的增益可能導(dǎo)致溢出或截幅，而這兩者都是不期望的。注意到以下是重要的應(yīng)用數(shù)字增益210是動(dòng)態(tài)的，并且因此與諸如I2C增益控制之類的恰巧是數(shù)字的音量控制區(qū)分，所述I2C增益控制僅僅通過諸如上/下開關(guān)之類的數(shù)字接口來控制信號(hào)路徑增益。數(shù)字增益210的輸出端耦合到DAC220。如上所述，每個(gè)DAC引入噪聲，該噪聲取決于習(xí)慣可以是輸入相關(guān)的或輸出相關(guān)的。在圖2中，DAC噪聲被表示為通過加法器212注入到信號(hào)路徑200中的DAC輸入相關(guān)噪聲211。類似地，不存在物理加法器212，而是物理加法器212被示出為表示DAC輸入相關(guān)噪聲211的注入。DAC220可以是任何已知或?qū)Ｓ肈AC，諸如脈寬調(diào)制器、sigma delta調(diào)制器、Nyquist、二進(jìn)制加權(quán)、R-2R階梯(ladder)、溫度計(jì)編碼、或任何其他DAC。DAC220將來自數(shù)字增益模塊210的經(jīng)過增益的數(shù)字輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。通過經(jīng)過增益的數(shù)字輸入數(shù)據(jù)水平和DAC220的轉(zhuǎn)換增益的組合來確定DAC220模擬輸出信號(hào)的水平。注意到以下是重要的輸入相關(guān)量化噪聲202和DAC輸入相關(guān)噪聲211不依賴于數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201 的增益。相反地，它們分別由數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201的量化水平或比特深度以及DAC的質(zhì)量來確定。DAC220的輸出端與第二增益級(jí)的輸入端f禹合。在所示出的實(shí)施例中，第二增益級(jí)是模擬增益230。模擬增益230噪聲貢獻(xiàn)被表示為通過加法器222注入的驅(qū)動(dòng)器輸入相關(guān)噪聲221。一般地，模擬增益230是對(duì)于20Hz 和20KHz之間的模擬信號(hào)的音頻帶而優(yōu)化的放大器或驅(qū)動(dòng)器、和諸如I2C控制線或音量控制管腳之類的音量控制器。無論所使用的驅(qū)動(dòng)器的類型如何，隨著增加模擬增益230的增益設(shè)置，模擬輸入信號(hào)235中的噪聲增加，這是由于全部噪聲貢獻(xiàn)(即量化噪聲203、DAC輸入相關(guān)噪聲212和驅(qū)動(dòng)器輸入相關(guān)噪聲221)隨著增加模擬增益230的增益而增加。因此， 期望在信號(hào)路徑中的早期最大化信號(hào)大小、以允許在信號(hào)路徑的結(jié)束處的較低的增益。對(duì)此，引入動(dòng)態(tài)增益控制器250。動(dòng)態(tài)增益控制器250最大化數(shù)字增益210而不對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行截幅、并且最小化模擬增益230同時(shí)維持信號(hào)路徑的整體期望增益。在以下意義上數(shù)字增益210被最大化并且模擬增益230被最小化數(shù)字增益水平的最大值和模擬增益水平的最小值被用于實(shí)現(xiàn)整體期望增益，同時(shí)仍然提供避免截幅的頂部空間(headroom)。如在此所使用的那樣，在該上下文中，術(shù)語“最大化”和“最小化”分別應(yīng)用于數(shù)字增益和模擬增益。對(duì)于給定的整體信號(hào)路徑期望增益，一旦最大化了數(shù)字增益水平，就確定了模擬增益水平。一般地，由用戶通過用戶音量接口 260來設(shè)置期望的音量。為了輔助動(dòng)態(tài)增益控制器250確定對(duì)于數(shù)字增益210和模擬增益230的最優(yōu)增益設(shè)置，提供數(shù)字信號(hào)水平檢測(cè)器240。數(shù)字信號(hào)水平檢測(cè)器240接收數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201并且按照任何便利的方式確定水平，所述任何便利的方式諸如檢測(cè)峰值水平、RMS水平、平均水平、或任何其他已知或?qū)Ｓ枚攘俊?shù)字信號(hào)水平檢測(cè)器240耦合到動(dòng)態(tài)增益控制器250并且將所檢測(cè)的水平發(fā)送到動(dòng)態(tài)增益控制器250。如上所述，非常不期望增加數(shù)字增益210中的增益設(shè)置以使得編碼數(shù)據(jù)溢出或截幅、從而很大程度地使信號(hào)失真。動(dòng)態(tài)增益控制器250被配置為從數(shù)字信號(hào)水平檢測(cè)器240接收數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201的水平，從而使得當(dāng)它動(dòng)態(tài)地確定對(duì)于數(shù)字增益210的增益設(shè)置時(shí)，該增益設(shè)置將不導(dǎo)致以數(shù)字方式編碼的信息溢出或截幅。隨著增加數(shù)字增益 210的增益設(shè)置，減小模擬增益的增益設(shè)置。因?yàn)闇p少模擬增益，所以輸入相關(guān)噪聲221和輸入相關(guān)噪聲211不經(jīng)歷那么多的增益。因此，利用高得多的保真度重新創(chuàng)建低水平信號(hào)。 因此，信號(hào)路徑200的DR得到改進(jìn)。在現(xiàn)有技術(shù)的方案中，低水平信號(hào)的恰當(dāng)重新創(chuàng)建需要模擬增益230和/或DAC220中的更大的電流或更大的裸片尺寸。優(yōu)選地，動(dòng)態(tài)增益控制器250還從用戶音量控制器260接收用戶增益設(shè)置。用戶音量控制器260可以是例如具有數(shù)模信號(hào)路徑200的mp3播放器上的音量切換器(toggle)。 在備選實(shí)施例中，用戶音量控制器260可以是對(duì)于給定實(shí)現(xiàn)方式而分配和固定的音量控制管腳。動(dòng)態(tài)增益控制器250被配置為再次最小化化模擬增益230的增益設(shè)置并且最大化數(shù)字增益210的增益設(shè)置，同時(shí)維持由用戶通過用戶音量設(shè)置260而設(shè)置的期望整體輸出音量。改變?cè)鲆嬖O(shè)置向諸如數(shù)模信號(hào)路徑200之類的系統(tǒng)中引入階躍響應(yīng)。階躍響應(yīng)可以通過信號(hào)路徑200級(jí)聯(lián)，從而導(dǎo)致可聽砰聲或咔嗒聲。為了最小化由增益的改變導(dǎo)致的砰聲或咔嗒聲，期望在數(shù)字輸入信號(hào)201接近其最小值時(shí)(諸如在信號(hào)的瞬時(shí)幅度為零時(shí))改變數(shù)字增益210和模擬增益230的增益設(shè)置。為此，提供過零檢測(cè)270。在一些實(shí)施例中， 動(dòng)態(tài)增益控制器250僅在過零檢測(cè)270參測(cè)到過零、意味著信號(hào)的瞬時(shí)幅度為零或接近零時(shí)更新增益水平。有利地，這減少通常與音量控制相關(guān)聯(lián)的潛在砰聲或咔嗒聲，特別在數(shù)字輸入數(shù)據(jù)201被在較高速率上過采樣以保證接近過零點(diǎn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采樣存在時(shí)。在一些實(shí)施例中，在數(shù)字增益(第一增益)調(diào)節(jié)之后在固定時(shí)間延遲進(jìn)行模擬增益(第二增益)調(diào)節(jié)，以減少由第一和第二增益級(jí)塊之間的信號(hào)路徑延遲導(dǎo)致的干擾。該延遲由動(dòng)態(tài)增益控制器250實(shí)施。在一些實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)增益控制器250包括沖擊和釋放(attack and release)控制器，從而使得除非在由“沖擊”控制設(shè)置定義的時(shí)間段中所檢測(cè)的信號(hào)水平在指定閾值之下，否則不增加數(shù)字增益。類似地，除非在由“釋放”控制設(shè)置定義的時(shí)間段中所檢測(cè)的信號(hào)水平在另一指定閾值之上，否則將不減小數(shù)字音量調(diào)節(jié)。圖3示出了對(duì)圖2的信號(hào)路徑的備選實(shí)施例數(shù)模信號(hào)路徑300。數(shù)字輸入信號(hào)301 被數(shù)字增益330和信號(hào)水平監(jiān)視器310接收。作為示例，數(shù)字增益330是乘法器邏輯塊。信號(hào)水平監(jiān)視器310可以是如上面詳細(xì)討論的任何便利的或?qū)Ｓ玫乃綑z測(cè)器。動(dòng)態(tài)增益控制器320接收I2C設(shè)置302和I2C增益303。I2C設(shè)置302通常被設(shè)置或當(dāng)信號(hào)路徑300被設(shè)計(jì)到電器(諸如mp3播放器)中時(shí)被硬布線。I2C設(shè)置302可以包括增益臺(tái)階的大小、兩個(gè)增益控制調(diào)節(jié)之間的可調(diào)節(jié)延遲、對(duì)水平檢測(cè)動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)的時(shí)間段/延遲的調(diào)節(jié)，和/ 或過零檢測(cè)使能從而使得僅在信號(hào)幅度為零時(shí)進(jìn)行增益改變以避免咔嗒聲和砰聲。I2C增益303通常被電器的終端用戶控制、以設(shè)置期望的增益或增益水平。動(dòng)態(tài)增益控制器320控制數(shù)字增益330的增益和模擬增益370的增益。如上面詳細(xì)討論的那樣，動(dòng)態(tài)增益控制器 320自動(dòng)地最大化數(shù)字增益330的增益，從而使得后面的模擬增益可以被最小化同時(shí)還避免數(shù)字信號(hào)的中的截幅或溢出。雖然在此通常參考I2C控制，但具有本公開的益處的普通技術(shù)人員將容易地理解，大量的控制增益設(shè)置的方式都可用，包括但不限于模擬增益控制、 硬布線增益臺(tái)階等。出于簡(jiǎn)潔和清楚的緣故，在此討論I2C，因?yàn)樗切袠I(yè)廣泛接受的控制標(biāo)準(zhǔn)。如上面所討論的那樣，數(shù)字增益330的操縱是由諸如數(shù)字乘法器或移位和累加寄存器之類的邏輯電路執(zhí)行的數(shù)字處理。數(shù)字增益330耦合到Sigma-Delta DAC ( Σ Λ)350。 諸如Σ Λ 350之類的過采樣DAC或插值DAC具有若干優(yōu)點(diǎn)。Σ ΛDAC使用噪聲整形脈沖密度轉(zhuǎn)換技術(shù)。過采樣技術(shù)允許內(nèi)部地使用較低分辨率的DAC。經(jīng)常選擇簡(jiǎn)單的I位DAC，這是因?yàn)檫^采樣結(jié)果固有地是線性的。數(shù)字調(diào)制器包括反饋和濾波以將大的I位量化噪聲中的大部分推出音頻帶。這導(dǎo)致有效的高通濾波器作用在由Sigma-Delta DAC( Σ Δ ) 350導(dǎo)致 I位量化噪聲上，從而將該噪聲從感興趣的低頻轉(zhuǎn)移到幾乎不感興趣的高頻中，這被稱作噪聲整形。在這些高頻的量化噪聲由模擬低通濾波器360去除或很大程度地衰減。Σ ADAC 350的一些實(shí)施例包括作為Σ ADAC350塊的一部分而不是分離/不同的塊360的低通濾波器函數(shù)。如果應(yīng)用對(duì)大的帶外噪聲不敏感，則其他實(shí)施例不具有具體的低通濾波器。最高分辨率或大于14位的DAC屬于該類型，這是由于其高線性和低成本。較高的過采樣率可以放松輸出低通濾波器的規(guī)定和/或使得能夠進(jìn)行對(duì)帶內(nèi)量化噪聲的進(jìn)一步的抑制。在一些實(shí)施例中，多個(gè)較高階拓?fù)?諸如MASH)可以被用于利用穩(wěn)定的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)較高程度的噪聲整形。具有本公開的益處的普通技術(shù)人員將非常熟悉可用的多種類型的 DAC，并且出于簡(jiǎn)潔和清楚的緣故，在本公開中省略其他類型的DAC的詳細(xì)操作。低通濾波器360耦合到模擬增益370，該模擬增益370也由動(dòng)態(tài)增益控制器320操縱。如上面所詳細(xì)描述的，模擬增益370的增益是可能的最低值同時(shí)維持由I2C增益303設(shè)置的用戶增益是有利的。圖4示出了具有Σ ADAC440的備選數(shù)模信號(hào)路徑400。其中更詳細(xì)地示出了 Σ ADAC440。數(shù)字回放信號(hào)401被截幅限制器430和信號(hào)水平檢測(cè)器410接收，截幅限制器430和信號(hào)水平檢測(cè)器410中的每個(gè)用作與圖3中所描述的類似的功能，并且不需要再次詳細(xì)闡述。Σ ADAC440接收已經(jīng)被截幅限制器430截幅限制的數(shù)字回放信號(hào)401。 Σ ADAC440包括輸入加法器441，其將輸入與被通過反饋路徑447反饋的轉(zhuǎn)移函數(shù)442的輸出相加。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)移函數(shù)由積分器和比較器組成。反饋路徑包括增益445。通常，增益445將I位DAC輸出447轉(zhuǎn)換為縮放的多位輸出443。通過減少反饋增益445，加法器的結(jié)果受到影響，并且增加Σ ADAC440的數(shù)字輸出增益。另外，相對(duì)于輸入信號(hào)水平的 Σ ADAC440輸出的幅度整形噪聲被減少。這導(dǎo)致能夠從較低階的Σ Λ DAC調(diào)制器實(shí)現(xiàn)較高的DR。截幅限制器430的截幅水平被動(dòng)態(tài)地控制以保證被引入到Σ ADAC440中的信號(hào)不超過由反饋增益445確定的適當(dāng)?shù)淖畲筝斎胨?。?yōu)選地,對(duì)增益445的任何改變都逐漸地完成，例如通過上/下計(jì)數(shù)器來完成、以避免任何瞬時(shí)臺(tái)階效果，該瞬時(shí)臺(tái)階效果可能具有不利的信號(hào)質(zhì)量分支，諸如導(dǎo)致數(shù)字增益設(shè)置環(huán)繞(wrap around)到最小設(shè)置。如所陳述的那樣，圖4中所示的實(shí)施例還有利地貢獻(xiàn)于噪聲整形。如眾所周知的那樣，Σ ADAC440 中的噪聲的形狀或譜密度依賴于環(huán)路增益，并且因此可以通過改變?cè)鲆?45而被控制到期望水平或推到高頻中。Σ ADAC440的輸出由濾波器450濾波。模擬增益460類似地由動(dòng)態(tài)增益控制器420控制。模擬增益460被最小化同時(shí)數(shù)字增益通過增益445被最大化，以便維持通過I2C增益403的用戶提供的增益設(shè)置。如上所述，使用I2C以控制增益并非旨在以任何方式是限制性的。圖5示出了用于優(yōu)化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的方法。在步驟510中，檢測(cè)數(shù)字輸入水平。如上面所討論那樣，數(shù)字輸入水平可以是RMS水平、峰值水平、或任何其他便利的水平。在步驟520中，檢測(cè)用戶增益設(shè)置。用戶增益設(shè)置對(duì)整體增益進(jìn)行設(shè)置，或在音頻的情況下對(duì)數(shù)模信號(hào)路徑的音量進(jìn)行設(shè)置。用戶增益設(shè)置可以被硬布線到諸如RF接收器或調(diào)制解調(diào)器之類的系統(tǒng)中、或諸如在mp3播放器的情況下那樣可由終端用戶控制。優(yōu)選地，同時(shí)執(zhí)行步驟510和520。在步驟530中，根據(jù)數(shù)字輸入水平和用戶增益設(shè)置來最大化數(shù)字增益級(jí)中的早期路徑數(shù)字增益設(shè)置。優(yōu)選地，數(shù)字增益級(jí)被截幅限制以免在數(shù)字增益級(jí)中使任何寄存器溢出。在一些實(shí)施例中，通過變更數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路的環(huán)路增益來最大化數(shù)字增益設(shè)置。在步驟540中，后期路徑模擬增益被最小化同時(shí)維持用戶增益設(shè)置。優(yōu)選地，同時(shí)執(zhí)行步驟530和540。連續(xù)地執(zhí)行步驟510-540?？偠灾?，低水平信號(hào)在數(shù)字域中經(jīng)歷高增益，其中信號(hào)路徑中早期的較高信號(hào)水平提供與路徑中后期的噪聲貢獻(xiàn)相比改進(jìn)的信噪比。因此，需要較少的模擬增益以實(shí)現(xiàn)數(shù)模信號(hào)路徑中的相同的整體期望增益。利用更高的保真度重現(xiàn)低水平信號(hào)，并且因此，存在數(shù)模信號(hào)路徑的較大的整體信號(hào)水平范圍，從而顯著地增加DR。在操作中，提供了用于利用可忽略的成本而最大化或優(yōu)化數(shù)模信號(hào)路徑的DR的電路和方法。如具有本公開的益處的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的那樣，添加動(dòng)態(tài)增益控制器和水平檢測(cè)器引致極小的功耗并且是在半導(dǎo)體裸片上的。相反，現(xiàn)有技術(shù)解決方案依賴于高端DAC或模擬增益以及需要電流和半導(dǎo)體裸片尺寸的較大增加的增益模塊以重現(xiàn)低水平信號(hào)，從而增加行業(yè)中不可接受的成本，在該行業(yè)中不到一分錢使得在市場(chǎng)中的成敗之間產(chǎn)生區(qū)別。已經(jīng)就并入細(xì)節(jié)以促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的構(gòu)造和操作的原理的理解的具體實(shí)施例而言描述了本發(fā)明。與多個(gè)模塊以及它們之間的互連相關(guān)而示出的具體配置和描述的方法僅出于示例的目的。在此對(duì)具體實(shí)施例和其細(xì)節(jié)的這樣的參考并非旨在限制所附權(quán)利要求的范圍。例如，已詳細(xì)描述了 Σ ADAC0然而，具有本公開的益處的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，可以利用若干類型的DAC，其中每個(gè)類型具有操縱數(shù)字增益的多種方式。進(jìn)一步地，雖然模擬增益或音量已被示出為分離的輸出模塊，但同樣眾所周知，一些DAC包括具有可以被操縱的增益設(shè)置的集成的模擬輸出。并且，已討論了數(shù)模音頻回放路徑。然而，上面所描述的電路和方法將對(duì)于具有其中關(guān)心動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)模信號(hào)路徑的任何電路或系統(tǒng)有用，所述電路或系統(tǒng)諸如RF接收器、調(diào)制解調(diào)器等。并且，將理解，圖2、3和4的各自的數(shù)模信號(hào)路徑200、300和400是高度簡(jiǎn)化的、以示出它們的僅僅最小限度的組件?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用的需要在信號(hào)路徑內(nèi)實(shí)施其他組件，諸如混頻器、附加的增益級(jí)、數(shù)字信號(hào)處理、或任何其他有用的已知或?qū)Ｓ媚K。備選地，一個(gè)DAC可以耦合到多個(gè)模擬增益級(jí)，每個(gè)級(jí)由動(dòng)態(tài)增益控制器單獨(dú)地控制。進(jìn)一步對(duì)具有本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是， 可以在被選為例示的實(shí)施例中進(jìn)行修改而不從本發(fā)明的精神和范圍偏離。
權(quán)利要求
1.一種用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的電路，其包括a.輸入端，其用于接收輸入信號(hào)；b.耦合到所述輸入端的第一增益級(jí)，所述第一增益級(jí)具有第一增益設(shè)置；c.耦合到所述第一增益級(jí)的第二增益級(jí)，所述第二增益級(jí)具有第二增益設(shè)置；d.控制器，其用于動(dòng)態(tài)地選擇所述第一增益設(shè)置以最大化所述第一增益設(shè)置而不對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行截幅，以及選擇所述第二增益設(shè)置以實(shí)現(xiàn)期望的信號(hào)路徑增益；以及e.耦合到所述第二增益級(jí)的輸出端，其用于發(fā)送具有期望的整體信號(hào)路徑增益的輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的電路，其中所述第一增益級(jí)包括數(shù)字增益級(jí)，并且所述第一增益設(shè)置包括數(shù)字增益設(shè)置。
3.如權(quán)利要求I所述的電路，其中所述第一增益級(jí)包括sigmadelta數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并且所述數(shù)字增益設(shè)置包括所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋增益改變。
4.如權(quán)利要求I所述的電路，其中所述第一增益級(jí)包括被配置為通過修改反饋值來調(diào)節(jié)所述第一增益設(shè)置的數(shù)字增益級(jí)。
5.如權(quán)利要求I所述的電路，其中所述第二增益級(jí)包括模擬增益級(jí)，并且所述第二增益設(shè)置包括模擬增益設(shè)置。
6.如權(quán)利要求I所述的電路，其中包括過零檢測(cè)以在瞬態(tài)信號(hào)接近零時(shí)更新增益設(shè)置。
7.如權(quán)利要求I所述的電路，其進(jìn)一步包括用于檢測(cè)所述輸入信號(hào)的水平的輸入信號(hào)檢測(cè)器。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其中所述輸入信號(hào)檢測(cè)器包括RMS水平檢測(cè)器。
9.如權(quán)利要求7所述的電路，其中所述輸入信號(hào)檢測(cè)器包括峰值水平檢測(cè)器。
10.如權(quán)利要求7所述的電路，其中所述輸入信號(hào)檢測(cè)器包括平均水平檢測(cè)器。
11.如權(quán)利要求I所述的電路，其進(jìn)一步包括用戶增益控制器。
12.如權(quán)利要求11所述的電路，其中所述用戶增益控制器耦合到所述控制器。
13.如權(quán)利要求12所述的電路，其中所述控制器進(jìn)一步被配置為根據(jù)所述用戶增益控制器來調(diào)節(jié)所述第一增益設(shè)置、所述第二增益設(shè)置、或所述第一增益設(shè)置和所述第二增益設(shè)置兩者。
14.如權(quán)利要求I所述的電路，其中所述控制器被配置為相對(duì)于所述第一增益設(shè)置的應(yīng)用而延遲所述第二增益設(shè)置的應(yīng)用，以補(bǔ)償所述第一增益級(jí)和所述第二增益級(jí)之間的信號(hào)路徑延遲。
15.如權(quán)利要求I所述的電路，其中所述控制器進(jìn)一步被配置為僅在指定時(shí)間段中輸入信號(hào)水平在指定閾值之下的情況下調(diào)節(jié)所述第一增益設(shè)置和所述第二增益設(shè)置。
16.一種用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的方法，其包括檢測(cè)數(shù)字輸入信號(hào)水平；檢測(cè)期望的用戶增益水平；向所述數(shù)字輸入信號(hào)應(yīng)用第一增益；將所述數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；以及向所述模擬信號(hào)應(yīng)用第二增益；f.其中根據(jù)所述數(shù)字輸入信號(hào)而選擇性地和相逆地操縱所述第一和第二增益，同時(shí)維持所述期望的用戶增益水平。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中包括過零以在瞬態(tài)信號(hào)接近零時(shí)更新增益設(shè)置。
18.如權(quán)利要求16所述的方法,其中應(yīng)用第一增益包括改變sigmadelta數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的反饋環(huán)路的增益設(shè)置。
19.在集成電路中的一種數(shù)模信號(hào)路徑，其包括a.用于接收數(shù)字輸入信號(hào)的輸入端；b.用于接收期望的信號(hào)路徑增益水平的輸入端；c.用于操縱所述數(shù)字輸入信號(hào)的數(shù)字增益水平的數(shù)字增益級(jí)；d.耦合到所述數(shù)字增益級(jí)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其用于將經(jīng)過操縱的數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有模擬增益水平的模擬信號(hào)；e.用于操縱所述模擬信號(hào)的所述模擬增益水平的模擬增益級(jí)；f.動(dòng)態(tài)增益控制器，其用于根據(jù)所述數(shù)字輸入信號(hào)水平而選擇性地最大化所述數(shù)字增益水平和最小化所述模擬增益水平，并且同時(shí)維持所述期望的信號(hào)路徑增益水平。
20.在集成電路中的一種數(shù)模信號(hào)路徑，其包括a.用于接收數(shù)字輸入信號(hào)的輸入端；b.用于接收期望的信號(hào)路徑增益水平的輸入端；c.耦合到數(shù)字增益級(jí)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其用于將所述數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有模擬增益水平的模擬信號(hào)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括數(shù)字增益水平；d.用于操縱所述模擬信號(hào)的模擬增益水平的模擬增益級(jí)；e.動(dòng)態(tài)增益控制器，其用于根據(jù)所述數(shù)字增益水平而選擇性地最大化所述數(shù)字增益水平和最小化所述模擬增益水平，并且同時(shí)維持期望的輸出增益水平。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于優(yōu)化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的電路和方法。具體來說，涉及一種用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的電路，包括輸入端，其用于接收輸入信號(hào)；耦合到所述輸入端的第一增益級(jí)，所述第一增益級(jí)具有第一增益設(shè)置；耦合到所述第一增益級(jí)的第二增益級(jí)，所述第二增益級(jí)具有第二增益設(shè)置；控制器，其被配置為根據(jù)所述輸入信號(hào)水平來選擇性地增加所述第一增益設(shè)置和減少所述第二增益設(shè)置；以及耦合到所述第二增益級(jí)的輸出端，其用于發(fā)送輸出信號(hào)。本發(fā)明還涉及一種用于最大化數(shù)模信號(hào)路徑中的動(dòng)態(tài)范圍的方法。
文檔編號(hào)H03M1/10GK102611449SQ20121002283
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者M·費(fèi)爾德, R·勒求斯 申請(qǐng)人:馬克西姆綜合產(chǎn)品公司