专利名称：双采样积分器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双采样积分器，可用于sigma-ddta调制器中，属 于微电子技术领域。
背景技术：
传统的积分器结构如图1所示，Ol、 0>2为两相不交叠时钟开关, 当电平为高时，开关接通。图2a和图2b分别给出了该积分器两个工 作过程示意图，当O)l为高电平时，积分器工作在采样状态，采样电 容Cs上极板与输入相连，电荷跟随输入信号Vi的变化。下极板与输 入共模电平Vcmi相连。积分电容Ci上的电荷保持不变，积分器的输 出电平Vo也不变。在0)2为高电平时，采样电容上极板与Vcmo相 连，下极板与OTA的输入端相连，此时Cs上的电荷全部转移到积分 电容Ci上，积分器的输出Vo发生变化。因此，在一个时钟周期内， 积分器完成采样、积分各一次。假设输入信号为一定值，积分器输出 的波形示意图如图3所示。
在sigma-delta调制器中，过采样率(OSR， Over Sampling Rate)是 一个很重要的参数。提高OSR可以将噪声基底压低，从而使系统获 得较高的信噪比(SN民Signal to Noise Ratio)。提高OSR意味着更高的 时钟频率，即更短的时钟周期。这就要求运算放大器(OTA， Operational Transconductance Amplifier)在很快的时间内完成建立过程，建立误 差在系统能允许的范围之内。OTA的建立时间和它的单位增益带宽 (UGB, Unit Gain Bandwidth)和相位裕度(PM， Phase Marge)有着直接的 关系。建立时间越短要求具备越大的UGB和压摆率(SR， Slew Rate), 即需要越大的工作电流，因此OTA的功耗也就越大。在低电压和极低功耗的应用中，可以选取适当的OTA结构来实 现低功耗设计。但是在目前的工艺下，低电压限制了 OTA结构的多 样性。而且OTA的设计目前以相当成熟，很多技术如class-AB输出、 电平移位等用来降低功耗的技术均已提出。在此基础之上，单从OTA 设计的角度来考虑降低功耗，所取得的效果是很小的。
因此要实现系统极低功耗的性能，应从系统的结构方面来考虑。
发明内容
本发明旨在提出一种新型结构的积分器，使积分器的采样率提高 一倍，而不需要对OTA的要求有所改进。
为实现上述目的，本发明的技术方案是 一种双采样积分器，尤 其适用于sigma-ddta调制器，它由两组采样电容Csa和Csb、两个积 分电容Ci和一个运算放大器OTA组成，由16只两相不交叠时钟开 关Ol和(D2控制。
所述两个采样电容Csa的上极板通过时钟开关Ol接到信号输入 端Vi，通过时钟开关0)2接到输出的共模电平Vcmo;其下极板通过 时钟开关Ol接到输入共模电平Vcmi，通过时钟开关。2接到所述运 算放大器OTA的输入端。
所述两个采样电容Csb的上极板通过时钟开关02接到信号输入 端Vi，通过时钟开关Ol接到输出的共模电平Vcmo;其下极板通过 时钟开关02接到输入共模电平Vcmi，通过时钟开关Ol接到所述运 算放大器OTA的输入端。
所述两个积分电容Ci分别以负反馈的方式跨接在所述运算放大 器OTA的输入端和输出端，所述运算放大器OTA的输出端为信号输 出端Vo。
在本发明中，积分器的两路采样通路交替采样，分别在两相不交 叠的时钟控制下工作。当其中一路采样电容对输入信号进行采样时，
4另一路采样电容上的电荷正在被转移到积分电容上。因此，不管是在 时钟高电平相还是在低电平相，OTA始终都处于工作状态。
在传统积分器中，当采样电容对输入信号采样时，OTA实际上 是工作在闲置状态。本发明双采样积分器的最大优点是充分利用了这 —闲置状态，继续进行积分运算，从而实现了积分器低功耗、高效率 的工作特性。在sigma-ddta调制器中，过采样率OSR是个很重要的 参数，'在其他条件相同时，OSR越高，调制器所能获得的信噪比SNR 越高。为了获得相同的OSR,双采样积分器所需要的时钟频率是传 统积分器的一半，即所需的时钟周期为传统积分器的2倍。因此可以 有更多的时间让运算放大器来完成建立的过程，这就放松了对运算放 大器的压摆率SR和单位增益带宽UGB的要求，从而实现低功耗的 性能。换言之，在时钟频率相同的条件下，双采样积分器能获得双倍 于传统积分器的过采样率OSR，从而获得更高的SNR。在不增加功 耗的前提下，本发明双采样积分器大大提高了工作效率。
图1是传统积分器的电路结构图2a是传统积分器工作在Ol为高电平时的等效电路图； 图2b是传统积分器工作在02为高电平时的等效电路一
图3是传统积分器工作时输出波形的示意图； 图4是本发明双采样积分器的电路结构图5a是本发明双采样积分器工作在01为高电平时的等效电路
图5b是本发明双采样积分器工作在02为高电平时的等效电路 图； >
图6是本发明双采样积分器工作时输出波形的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明双采样积分器进行详细说明。
本发明双采样积分器的电路结构如图4所示。16只0>1、①2为 两相不交叠时钟开关；两个Csa和两个Csb分别组成工作在不同时钟 相下的两路采样电容一端与输入信号Vi相连，另一端与运算放大器 OTA的输入端相连；两个积分电容Ci分别以负反馈的方式跨接在 OTA的输入端和输出端，OTA的输出端与输出信号Vo相连。
双采样积分器的工作过程如下
当Ol为高电平时，Csa对输入进行采样，其上极板与输入信号 Vi相连，其下极板与输入共模电平Vcmi相连；而此时，Csb的上极 板与输出共模电平Vcmo相连，下极板与OTA的输入端相连，其上 的电荷正在转移到Ci上。在<D1的低电平到来的前一时刻，即0)2的 高电平到来的前一时刻，Csa上的电荷为
Ql=Vi(n)*Csa;
Ci上的电荷为
Q2=Vo(n)*Ci;
此时Csb上电荷已全部转移到Ci上。这一过程如图5a所示。
当为低电平时，Csa的上极板与输出共模电平Vcmo相连， 其下极板与OTA的输入端相连，其上存储的电荷开始转移到Ci上。 此时Csb的上极板与输入信号相连，下极板与输入共模电平Vcmi相 连，Csb开始采集输入信号。当电荷转移全部结束时，Csa上电荷为 0，此时等效电路如图5b所示。此时Ci上的电荷为
Q3=Vo(n+l)*Ci;
由电荷守恒有
Vi(n)*Csa+ Vo(n)*Ci= Vo(n+l)*Ci
对上式进行Z变换后得到Vi(z)*Csa+Vo(z)* Ci=Vo(z)*z*Ci
即得到
voW/vKzXCs/ayz-VG-z-1)
Csb与Csa交替进行采样与积分。图5a与图5b描述了这一过程。积 分器的输出波形示意图如图6所示。
对比图3和图6可知，传统积分器的输出在一个时钟周期内只会 改变一次，其改变的幅度为Vi*Cs/Ci;而在双采样积分器中，积分器 的输出每半个时钟周期就会改变一次，其改变的幅度也是W*Cs/Ci。 可见在时钟频率相同时，双采样积分器的采样速率为传统积分器的2 倍。
权利要求
1.一种双采样积分器，尤其适用于sigma-delta调制器，它由采样电容、两个积分电容Ci和一个运算放大器OTA组成，由两相不交叠时钟开关Φ1和Φ2控制，其特征在于所述采样电容有两组4只采样电容Csa和Csb，所述两相不交叠时钟开关Φ1和Φ2共有16只，其中8只Φ1，8只Φ2；所述两个采样电容Csa的上极板通过时钟开关Φ1接到信号输入端Vi，通过时钟开关Φ2接到输出的共模电平Vcmo；其下极板通过时钟开关Φ1接到输入共模电平Vcmi，通过时钟开关Φ2接到所述运算放大器OTA的输入端；所述两个采样电容Csb的上极板通过时钟开关Φ2接到信号输入端Vi，通过时钟开关Φ1接到输出的共模电平Vcmo；其下极板通过时钟开关Φ2接到输入共模电平Vcmi，通过时钟开关Φ1接到所述运算放大器OTA的输入端；所述两个积分电容Ci分别以负反馈的方式跨接在所述运算放大器OTA的输入端和输出端，所述运算放大器OTA的输出端为信号输出端Vo。
全文摘要
本发明涉及一种应用于Sigma-Delta调制器的双采样积分器，属于微电子技术领域；它由16只两相不交叠时钟开关、4个采样电容、2个积分电容和1个运算放大器OTA组成。在原有积分器结构的基础上，该电路增加一路采样电路，使两路采样电路在两相不交叠的时钟开关控制下交替工作，从而提高采样率。在性能要求一定时，该电路能降低对OTA的要求，从而有效实现低功耗。在低功耗的应用中，该电路能取得高效率的工作效果。
文档编号G06G7/184GK101625718SQ200910053468
公开日2010年1月13日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者任俊彦, 俊 许, 瑶 过, 达 齐 申请人:复旦大学