專利名稱：基于逐次比較量化器的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器,屬于集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
伴隨著消費(fèi)類電子迅猛發(fā)展和數(shù)字化技 術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)高精度、低功耗、低成本模數(shù)轉(zhuǎn)換器需求日漸擴(kuò)大，然而集成電路工藝的不斷更新導(dǎo)致電源電壓的降低與晶體管的本征增益的下降，使模擬電路設(shè)計(jì)難度加大。因此我們要在低電壓下進(jìn)一步采用創(chuàng)新性的低功耗設(shè)計(jì)來(lái)滿足系統(tǒng)上的要求。對(duì)于低功耗、高精度、低成本模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)采用前饋Sigma-Delta結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器已成為一個(gè)趨勢(shì)。其中關(guān)鍵部分就在于Sigma-Delta調(diào)制器。前饋結(jié)構(gòu)Sigma-Delta調(diào)制器的輸入信號(hào)不直接經(jīng)過(guò)運(yùn)算法放大器，從而避免運(yùn)算放大器的非線性失真導(dǎo)致的調(diào)制器性能下降，可以在低電源電壓下得到高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖I所示，主要由三個(gè)積分器，一個(gè)量化器前的加法器，一個(gè)量化器，一個(gè)反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)把第一階積分器輸出信號(hào)放大3倍的放大器，一個(gè)把第二階積分器輸出信號(hào)放大3倍的放大器，一個(gè)計(jì)算出輸入信號(hào)和反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)之間差值的加法器構(gòu)成。輸入信號(hào)X與第一階積分器輸出信號(hào)放大三倍后的信號(hào)、第一階積分器輸出信號(hào)放大三倍后的信號(hào)和第三階積分器輸出信號(hào)相加后輸入到量化器，經(jīng)過(guò)量化后，量化器輸出信號(hào)Y經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換后與輸入信號(hào)相減得到U，U輸入到第一階積分器。為保證高精度性能，量化器通常采用多比特位寬的量化器。采用多比特位寬量化器的優(yōu)點(diǎn)在于可以在不增加Sigma-Delta調(diào)制器過(guò)采樣率的條件下，提高調(diào)制器的噪聲諧波抑制比，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種新的電路結(jié)構(gòu)，滿足對(duì)高精度、低功耗、低成本模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)需求。本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的它包括本發(fā)明的運(yùn)用逐次比較量化的多輸入采樣電容陣列作為第二加法器單元6以及三個(gè)積分器I、一個(gè)多比特逐次比較量化器2、一個(gè)二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能的數(shù)字電路3、一個(gè)反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器4、用于計(jì)算輸入信號(hào)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)差值的第一加法器單元5構(gòu)成的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器,結(jié)構(gòu)如圖2所示。第二加法器單元的結(jié)構(gòu)第二加法器單元包括2N個(gè)單位電容，N的取值范圍為3到8。所有電容的上極板與一個(gè)開關(guān)K的一端相連,該開關(guān)另一端與一電壓驅(qū)動(dòng)器B3輸出端相連。2N_3X3個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)KN,1; KN,2，Kn,3與第一階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2n_3個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)Kn-H Kn_U2，V1,3與第三階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2N_2個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)KN_2,1; KN_2,2，KN_2,3與第二階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2N_3個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)KN_3,1； KN_3,2，&_3,3與第二階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2n_4個(gè)，2n_5個(gè)，· · · 個(gè)，2"-"個(gè)電容的下極板通過(guò)與之對(duì)應(yīng)的IWp IW2、IW3，IW
I、Kn-5，2、Kn-5，3 · · · J KN-(N-1)，1、KN-(n-i)，2、ΚΝ-(ν-1)，3 KN—N，1、KN—N，2、KN—N，3 與信號(hào)輸入端，電壓驅(qū)動(dòng)
器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出相連；最后一個(gè)電容的下極板分別通過(guò)兩個(gè)開關(guān)Ku、Ku與信號(hào)輸入端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連。調(diào)制器輸入端分別與第一加法器單元和第二加法器單元相連；第一加法器單元輸出端與第一階積分器輸入端相連；第一階積分器輸出端分別與第二加法器單元和第二階積分器輸入端相連；第二階積分器輸出端分別與第二加法器單元和第三階積分器輸入端相連；第三階積分器輸出端與第二加法器單元相連；第二加法器單元輸出端與多比特逐次比較量化器相連，同時(shí)多比特逐次比較量化器通過(guò)反饋信號(hào)線與第二加法器單元相連；多比特逐次比較量化器輸出端與二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能的數(shù)字電路相連；二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能的數(shù)字電路輸出端與反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連；反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端與第一加法器單元相連。該調(diào)制器輸入信號(hào)直接輸入到第一加法器單元和第二加法器單元；第一加法器單兀輸出信號(hào)輸入到第一階積分器輸入端；第一階積分器輸出信號(hào)輸入到第二階積分器同時(shí)將該信號(hào)輸入到第二加法器單元;第二階積分器輸出信號(hào)輸入到第三階積分器同時(shí)將該信號(hào)輸入到第二加法器單元;第三階積分器輸出信號(hào)輸入到第二加法器單元；第二加法器單元對(duì)上述四個(gè)信號(hào)，即輸入信號(hào)、第一階積分器輸出信號(hào)、第二階積分器輸出信號(hào)、第三階積分器輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)米樣。在信號(hào)米樣時(shí)刻，輸入信號(hào)、第一階積分器輸出信號(hào)、第二階積分器輸出信號(hào)分別、第三階積分器輸出信號(hào)分別輸入到第二加法器單兀內(nèi)的不同電容上，輸入信號(hào)、第一階積分器輸出信號(hào)、第二階積分器輸出信號(hào)、第三階積分器輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的信號(hào)采樣電容容值的比例為I : 3 : 3 : I。第二加法器單元在信號(hào)采樣時(shí)刻，開關(guān)KN>1、 Kn—1，1、KN—2，1、KN—3，1、KN—m · · ·、Kn-(^1)，i、Kukk 閉合，其他開關(guān)斷開。第一階積分器的輸出信號(hào)通過(guò)開關(guān)Ku輸入到2Ν_3Χ3個(gè)電容的下極板；第二階積分器輸出信號(hào)分別通過(guò)開關(guān)KupKm輸入到對(duì)應(yīng)的2n_2個(gè)和2n_3個(gè)共計(jì)2N_3X 3個(gè)電容的下極板；第三階積分器的輸出信號(hào)通過(guò)開關(guān)KnH輸入到2吣個(gè)電容的下極板；輸入信號(hào)通過(guò)開關(guān) KmAu、· · 、&音1)，1、1^,1、1^1輸入到214個(gè)，215個(gè)，· ·
個(gè)和最后一個(gè)電容上共計(jì)2N_3個(gè)電容。所有電容的上極板在信號(hào)采樣時(shí)刻通過(guò)開關(guān)K與電壓驅(qū)動(dòng)器B3輸出端相連。 采樣后，多比特逐次比較量化器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行N次的逐次比較、量化。在N次比較、量化期間，開關(guān) KN,^IV1,pIVu、IV3VlV4,i、· · ·、KnK^Km,斷開，Ku2 閉合，最后一個(gè)電容的下級(jí)板通過(guò)開關(guān)Ku與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連，所有電容的上極板與比較量化器輸入端相連。在進(jìn)行第一次比較、量化時(shí)，開關(guān)KN,2、KN_1>2首先閉合3斷開，開關(guān)κΝ_2,2、
Kn—3，2、· · ·、Kn-(N-I)，2、Kn—n，2 斷開，開關(guān)KN_2,3、
Kn-3，3、· · ·、KN—(N—0,3、KN—N，3 閉
合。共計(jì)2N—1個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Kn^Kn-U與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，2N—2個(gè)、2N—3個(gè)、· · ·、2Ν_(Ν_ 個(gè)、2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)ΚΝ_2,3、ΚΝ_3,3、· · ·與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連。多比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則K1^IVu2斷開，K1^IVu3閉合，2N_i個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Kn^Kn.與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；若該值為O，則Kn^KnI2保持閉合，Knj3^V1 ,3斷開，個(gè)電容的 下極板通過(guò)開關(guān)Kn^KnI2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第一次比較、量化。第一次比較、量化結(jié)束后，開始第二次比較、量化。第二次比較、量化期間開關(guān)KN,2、KN,3、KN_lj2>V1,3狀態(tài)同第一次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致。在進(jìn)行第二次比較、量化時(shí)，開關(guān)KN_2,2 首先閉合，KN_2,3 斷開，開關(guān) KN_3,2、· · ·、Kn_(n_d,2、κΝ_Ν,2 斷開，開關(guān) κΝ_3,3、· · ·、κΝ_(Ν_1)3、KN_N,3閉合，2N_2個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_2,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，2N_3個(gè)、· · ·、2Ν_(Ν_ 個(gè)、2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_3,3、· · ·、KnK^Km,3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連。多比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則KN_2,2斷開，KN_2,3閉合，2n_2個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_2,3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連，若該值為O，則KN_2,2保持閉合，KN_2,3斷開，2N_2個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_2,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第二次比較、量化。第二次比較、量化結(jié)束后，開始第三次比較、量化。第三次比較、量化期間，開關(guān)Kn,2、KN,3、KN_lj2> KN_1>3狀態(tài)同第一次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致，開關(guān)KN_2,2，KN_2,3狀態(tài)同第二次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致。在進(jìn)行第三次比較、量化時(shí)，開關(guān)KN_3,2首先閉合，KN_3,3斷開,開關(guān)KN_4,2、· · ·、
Kn-(N-I)，2、KN—N，2 斷開，開
關(guān) Κν-4，3、· · ·、KN—(N—1)，3、Kn—n，3
閉合。2N_3個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_3,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，2N_4個(gè)、· · ·、2Ν_(Ν_ 個(gè)、2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_4,3、· · · >KN_frl),3>KN_N,3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連。多比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則KN_3,2斷開，Kn_3,3閉合，2n_3個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_3,3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連，若該值為O，則KN_3,2保持閉合，Kn_3,3斷開，2N_3個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_3,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第三次比較、量化。依次類推，第N次比較、量化期間，開關(guān)狀態(tài)同第一次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致，開關(guān)KN-2,2，KN_2,3狀態(tài)同第二次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致，· · ，開關(guān)Kn_(n_d
,2，Kn-(N-1),3
狀態(tài)同第N-I次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致。在進(jìn)行第N次比較、量化時(shí)，開關(guān)KN_N,2首先閉合，KN_N,3斷開，2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_N,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，多比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則1^_,,2斷開，KN_N,3閉合，2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_N,3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連，若該值為O，則KN_N,2保持閉合，KN_N,3斷開，2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KN_N,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第N次比較、量化。多比特逐次比較量化器完成量化后輸出的多比特二進(jìn)制碼通過(guò)二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能數(shù)字電路轉(zhuǎn)換成溫度碼；輸出的溫度碼控制反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)；將數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)輸入到第一加法器單兀與輸入信號(hào)作差，作差后的信號(hào)輸入到第一階積分器的輸入端。在本發(fā)明中，輸入模擬信號(hào)Vin、第一階積分器輸出信號(hào)Vinl、第二階積分器輸出信號(hào)Vin2、第三階積分器輸出信號(hào)在米樣時(shí)刻分別被多輸入電容陣列組成的第二加法器單元內(nèi)的電容進(jìn)行下極板采樣，圖3為第二加法器單元采樣時(shí)刻示意圖。在采樣時(shí)刻第二加法器單元有別于傳統(tǒng)的逐次比較量化器采樣陣列電容只對(duì)單一的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。在比較時(shí)刻，第二加法器單元電容陣列恢復(fù)成現(xiàn)有技術(shù)的逐次比較量化器類二進(jìn)制權(quán)重采樣電容陣列，圖4為第二加法器單元在第一次比較時(shí)刻電路結(jié)構(gòu)圖。其中VMf3為輸入共模信號(hào)，Vref2 > Vrefl為比較器參考電壓。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的特點(diǎn)和有益效果本發(fā)明所述的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器,與傳統(tǒng)的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器項(xiàng)比較，加法功能電路由逐次比較量化器前的多輸入采樣電容陣列實(shí)現(xiàn)，去除了額外 的模擬或數(shù)字加法器電路，使得整體電路功耗降低，節(jié)省了電路面積，降低了生產(chǎn)成本。多輸入采樣電容陣列與傳統(tǒng)的逐次比較量化器前的采樣電容陣列相比較，在采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)四個(gè)被采樣信號(hào)的采樣電容的比例變?yōu)? I 3 1，在比較、量化時(shí)刻電容陣列恢復(fù)成2ν_1 2ν_2 · · · 2 : I : I。


圖I為傳統(tǒng)的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器結(jié)構(gòu)框圖；圖3為第二加法器單元電容陣列采樣時(shí)刻示意圖；圖4為第二加法器單元電容陣列第一次比較時(shí)刻示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的Sigma-Delta調(diào)制器電路結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的Sigma-Delta調(diào)制器電路時(shí)序圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的斬波穩(wěn)定放大器結(jié)構(gòu)框圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的大范圍套筒式運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的低功耗比較電路結(jié)構(gòu)圖；圖IOA為本發(fā)明實(shí)施例提供的異步時(shí)鐘控制電路；圖IOB為本發(fā)明實(shí)施例提供的異步時(shí)鐘時(shí)序框圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的第二加法器單元電容陣列采樣時(shí)刻示意圖；圖12為本發(fā)明實(shí)施例提供的第二加法器單元電容陣列比較時(shí)刻示意圖；圖13為本發(fā)明實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)權(quán)重平均算法示意圖；圖14為本發(fā)明實(shí)施例輸出信號(hào)頻譜圖。其中I表示三個(gè)積分器，2表示逐次比較量化器，3表示二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼的數(shù)字電路，4表示反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器，5表示第一加法器單元，6表示第二加法器單元，50表示斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器，51表示4比特異步逐次比較量化器，52表示4比特二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成15比特溫度碼數(shù)字邏輯模塊，53表示4比特單位電容結(jié)構(gòu)的反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器，70表示pMOS開關(guān)，71表示自舉開關(guān)，101表示異步時(shí)鐘單元。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例提出了一種采用多輸入采樣開關(guān)電容陣列加法器的基于4比特異步逐次比較量化器的前饋三階低通Sigma-Delta調(diào)制器，圖5是用單端電路結(jié)構(gòu)示意圖描述的該差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器。電路包含了三個(gè)基于現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)積分電路，其中第一階積分器內(nèi)的運(yùn)算放大器是采用斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器50結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的；第二加法器單元6，一個(gè)基于現(xiàn)有技術(shù)的4比特異步逐次比較量化器51，一個(gè)基于數(shù)據(jù)權(quán)重平均算法的把4比特二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成15比特溫度碼數(shù)字邏輯模塊52，一個(gè)基于現(xiàn)有技術(shù)的單位電容結(jié)構(gòu)的4比特反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器53。其時(shí)序如圖6所示。在該實(shí)施例中，低頻噪聲貢獻(xiàn)最多的模擬電路是第一階積分器中的運(yùn)算放大器。采用現(xiàn)有技術(shù)的斬波穩(wěn)定(chopper stabilization)放大器可以抑制該低頻噪聲，電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。其輸入開關(guān)采用pMOS開關(guān)70 ;輸出開關(guān)采用現(xiàn)有技術(shù)的自舉開關(guān)71，用于保證傳輸信號(hào)的線性度。開關(guān)控制時(shí)鐘采用現(xiàn)有技術(shù)的兩相非交疊的時(shí)鐘設(shè)計(jì)，時(shí)序如圖6所示。本實(shí)施例中采用現(xiàn)有技術(shù)的大范圍套筒式結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，如圖8所示。運(yùn)放輸入輸出大范圍的動(dòng)態(tài)性能是通過(guò)讓套筒結(jié)構(gòu)的尾電流源晶體管工作在線性區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該電路在臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司130nm工藝下進(jìn)行設(shè)計(jì)，電源電壓為IV，通過(guò)電路仿真可知，在負(fù)載電容是8pF的條件下，運(yùn)算放大器的增益達(dá)到49dB，增益帶寬積達(dá)到18MHz ο本實(shí)施例中多比特逐次比較量化器采用現(xiàn)有技術(shù)的4比特異步逐次比較量化器。這種電路結(jié)構(gòu)面積大，功耗高，不適于低功耗應(yīng)用。采用逐次比較量化器具有低功耗、面積小的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹话粋€(gè)比較器，不存在比較器失調(diào)電壓失配的問(wèn)題。本實(shí)施例量化器中的比較器采用現(xiàn)有技術(shù)的低功耗動(dòng)態(tài)比較器，如圖9所示，該結(jié)構(gòu)沒有直流偏置電路，能夠達(dá)到超低的靜態(tài)功耗，平均功耗只與采樣頻率相關(guān)。異步時(shí)鐘控制電路用來(lái)生成量化器中比較器的比較時(shí)鐘CLK，和第一階積分期的積分時(shí)鐘ΦΡ，如圖IOA所示。異步時(shí)鐘單元101采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用該技術(shù)的電路首次發(fā)表于 “A 30fJ/Conversion-Step 8b 0-to 10MS/s Asynchronous SAR ADC in 90nmCM0S”2010IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp388_389，本實(shí)例中異步時(shí)序控制如圖 IOB 所示。本實(shí)施例中在信號(hào)采樣時(shí)刻，第二加法器單元內(nèi)開關(guān)K4,P K3jl> K2a, Kia, Koa, Ku、K閉合，其他開關(guān)斷開。第一階積分器輸出信號(hào)通過(guò)開關(guān)K4il輸入到24_3X3個(gè)電容的下極板；第二階積分器輸出信號(hào)通過(guò)開關(guān)Ku、Kia輸入到24_3X3個(gè)電容的下極板；第三階積分器輸出信號(hào)通過(guò)開關(guān)K3il輸入到24—3個(gè)電容的下極板；輸入信號(hào)通過(guò)開關(guān)KcmIu輸入到2°個(gè)和最后一個(gè)電容上。所有電容的上極板通過(guò)開關(guān)K與電壓驅(qū)動(dòng)器B3輸出端相連。如圖11所示。采樣后，4比特逐次比較量化器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行4次的逐次比較、量化。在比較、量化期間，開關(guān)K4^K3VK2YK1VKtl^Kua斷開，Ku閉合，最后一個(gè)電容的下級(jí)板與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連，所有電容的上極板與比較量化器輸入相連。在進(jìn)行第一次比較、量化時(shí)，開關(guān)K4,2、K3,2首先閉合，K4,3、K3,3斷開，開關(guān)K2i2J1,2、K。,2斷開，開關(guān)K^K1,3、K。,3閉合。23個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)K4,2、K3,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，22個(gè)、21個(gè)、2°個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)1(2,3、1(1,3、1((|,3與電壓驅(qū)動(dòng)器82輸出端相連，如圖12所示。4比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則Κ4,2、Κ3,2斷開，Κ4,3、Κ3,3閉合，23個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)K4,3、Κ3,3與電壓驅(qū)動(dòng)器Β2輸出端相連，若該值為0，則K4,2、K3,2保持閉合，K4,3、K3,3斷開，23個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)K4,2、K3,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第一次比較、量化。第一次比較、量化結(jié)束后，開始第二次比較、量化。第二次比較、量化期間開關(guān)K4,2、K4,2、K3,2、K3,3狀態(tài)同第一次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致。在進(jìn)行第二次比較、量化時(shí)，開關(guān)K2,2首先閉合，K2,3斷開，開關(guān)K1^Kch2斷開，開關(guān)K1^Kth3閉合。22個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)K2,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，21個(gè)、2°個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)KU3、Kch3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連。4比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為I，則K2,2斷開，K2,3閉合，22個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)K2,3與電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連，若該值為O， 則K2,2保持閉合，K2,3斷開，22個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)K2,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第二次比較、量化。第二次比較、量化結(jié)束后，開始第三次比較、量化。第三次比較、量化期間，開關(guān)κ4,2、κ4,2、κ3,2、κ3,3狀態(tài)同第一次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致，開關(guān)K2,2，K2,3狀態(tài)同第二次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致。在進(jìn)行第三次比較、量化時(shí)，開關(guān)Ku2首先閉合，Ku斷開，開關(guān)Ku斷開，開關(guān)Ku閉合。21個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Ku與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，2°個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Kch3與電壓驅(qū)動(dòng)器Β2輸出端相連。4比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則Kli2斷開，Ku3閉合，21個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Ku與電壓驅(qū)動(dòng)器Β2輸出端相連，若該值為O，則Κ1>2保持閉合，Ku3斷開，21個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Kli2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第三次比較、量化。第4次比較、量化期間，開關(guān)K4,2、K4,2、K3,2、K3,3狀態(tài)同第一次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致，開關(guān)K2,2，K2,3狀態(tài)同第二次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致，開關(guān)Ku，Ku3狀態(tài)同第三次比較、量化結(jié)束時(shí)狀態(tài)保持一致。在進(jìn)行第四次比較、量化時(shí)，開關(guān)Kch2首先閉合，Kcii3斷開，2°個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)1,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，4比特逐次比較量化器進(jìn)行一次比較、量化，得到一位二進(jìn)制碼，若該值為1，則Ktli2斷開，Kch3閉合，2°個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Kch3與電壓驅(qū)動(dòng)器Β2輸出端相連，若該值為O，則Kch2保持閉合，Kch3斷開，2°個(gè)電容的下極板通過(guò)開關(guān)Ktl,2與電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端相連，到此完成了第四次比較、量化。其中VMf3為輸入共模信號(hào)，Vref2> Vrefl 為比較器參考電壓。在本實(shí)施例中，Vref3 = O. 6V, Vref2 = O. 35V, Vrefl = 0V。4比特二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成15比特溫度碼邏輯數(shù)字電路時(shí)基于現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)權(quán)重平均算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼的同時(shí)還伴隨基于上一次輸出溫度碼的結(jié)果對(duì)本次輸出溫度碼進(jìn)行移位的操作，算法示意圖如圖13所示。4比特反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器53根據(jù)基于現(xiàn)有技術(shù)的單元電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。輸出的溫度碼送入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，控制15路電路支路上的開關(guān)。例如，當(dāng)?shù)谝宦冯娙葜返妮斎肟刂菩盘?hào)為高電平時(shí)，即該路對(duì)應(yīng)的溫度碼信號(hào)為1，該路的控制開關(guān)邏輯在時(shí)鐘Φη為高時(shí)，ΦΡ1為高，ΦΡ1控制的開關(guān)閉合，ΦΝ1為低，ΦΝ1控制的開關(guān)斷開，電容Cfi的下級(jí)板與Vrefp相接；當(dāng)?shù)谝宦冯娙葜返妮斎肟刂菩盘?hào)為低電平時(shí)，即該路對(duì)應(yīng)的溫度碼信號(hào)為0，該路的控制開關(guān)邏輯在時(shí)鐘Φη為高時(shí)，ΦΝ1為高，ΦΝ1控制的開關(guān)閉合，Op1為低，Op1控制的開關(guān)斷開，電容Cfi的下級(jí)板與1_相接；其中V_為高反饋參考電壓，V—為低反饋參考電壓，即Vrefp > Vrefn在本實(shí)施例中，Vrefp = O. 7V，Vrefn = 0V。用于計(jì)算輸入信號(hào)與電容式數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)差值的加法器通過(guò)第一階的階積分器中采樣電容csl實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例在臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司130nm工藝下進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)電路仿真可知，在輸入信號(hào)為5kHz的正弦信號(hào)，其峰峰值為400mV，采樣頻率為IMHz的情況下，Sigma-Delta調(diào)制器最大信號(hào)噪聲諧波比可達(dá)到110分貝，如圖14 ;電路整體功耗為380uffo
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種Sigma-Delta調(diào)制器，其特征在于它包括三個(gè)積分器，一個(gè)多比特逐次比較量化器，一個(gè)二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能的數(shù)字電路，一個(gè)反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)用于計(jì)算輸入信號(hào)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)差值的第一加法器單元，一個(gè)第二加法器單元； 第二加法器單元的結(jié)構(gòu)第二加法器單元包括2N個(gè)單位電容，N的取值范圍為3到8，所有電容的上極板與一個(gè)開關(guān)K的一端相連,該開關(guān)另一端與一電壓驅(qū)動(dòng)器B3輸出端相連；2N_3X3個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)Ku，Kn,2，Kn,3與第一階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2N_3個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)Kn_uKn_U2，！^^與第三階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2N_2個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)Km，Kn_2,2，Kn_2,3與第二階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2N_3個(gè)電容的下極板分別通過(guò)三個(gè)開關(guān)K^pIV3,·2，Kn_3,3與第二階積分器輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連；2n_4個(gè)，·2N_5個(gè)，Un+1)個(gè)，2N_N個(gè)電容的下極板通過(guò)與之對(duì)應(yīng)的Kn-5,3, * * *，Kn-(n-1),1、KN-fN-Oj、Kn-(H)i3, Km、Kn_n,2、Kn_n,3 與信號(hào)輸入端，電壓驅(qū)動(dòng)器BI輸出端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出相連；最后一個(gè)電容的下極板分別通過(guò)兩個(gè)開關(guān)Ku、Kl,2與信號(hào)輸入端，電壓驅(qū)動(dòng)器B2輸出端相連； 調(diào)制器輸入端分別與第一加法器單元和第二加法器單元相連； 第一加法器單兀輸出端與第一階積分器輸入端相連； 第一階積分器輸出端分別與第二加法器單元和第二階積分器輸入端相連； 第二階積分器輸出端分別與第二加法器單元和第三階積分器輸入端相連； 第三階積分器輸出端與第二加法器單元相連； 第二加法器單元輸出端與多比特逐次比較量化器相連，同時(shí)多比特逐次比較量化器通過(guò)反饋信號(hào)線與第二加法器單元相連； 多比特逐次比較量化器輸出端與二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能的數(shù)字電路相連； 二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼功能的數(shù)字電路輸出端與反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連； 反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端與第一加法器單元相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于逐次比較量化的三階前饋Sigma-Delta調(diào)制器。本發(fā)明所述的Sigma-Delta調(diào)制器包括三個(gè)積分器(1)、一個(gè)多比特逐次比較量化器(2)、一個(gè)二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成溫度碼的數(shù)字電路(3)、一個(gè)反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器(4)、一個(gè)計(jì)算出輸入信號(hào)和反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)之間差值的第一加法器單元(5)。一個(gè)在前饋通路上的直接由逐次比較器的多輸入采樣開關(guān)電容陣列構(gòu)成的第二加法器單元(6)，該加法器單元取代了目前通過(guò)額外的模擬加法器功能電路或數(shù)字加法器功能電路。本發(fā)明得到的Sigma-Delta調(diào)制器，具有超低功耗，高分辨率的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03M1/38GK102638268SQ20121011631
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者萬(wàn)培元, 林平分, 郎偉 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)