专利名称：采用三角积分调制的模拟数字转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及模拟数字转换器，特别涉及采用三角积分调制(delta-sigma modulation)的模拟数字转换器的元件不匹配问题。
背景技术：
三角积分调制常用来实现模拟数字转换器，所采用的差动对架构有助于抑制电源噪声以及电路非线性问题。然而，关于差动对设计，其中元件的匹配度格外重要。理想的匹配差动对可有效抑制偶次谐波。如何应付差动对架构的元件不匹配问题，为本技术领域一项重要课题。
发明内容
本发明公开一种采用三角积分调制的模拟数字转换器。根据本发明一种实施方式所实现的三角积分调制模拟数字转换器包括至少一个调制单元以及一比较器。所述调制单元包括一第一输入电容以及一第二输入电容、一运算放大器、一第一积分电容以及一第二积分电容、以及一反馈控制电路。该第一输入电容以及该第二输入电容置换采样该调制单元的一第一输入信号以
及一第二输入信号。该运算放大器具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端以及一第二输出端。该第一以及该第二输出端分别提供该调制单元的一第一输出信号以及一第二输出信号。该第一积分电容耦接于该运算放大器该第一输入端以及该第一输出端之间。该第二积分电容耦接于该运算放大器该第二输入端以及该第二输出端之间。上述第一与第二积分电容置换耦接上述第一与第二采样电容。该反馈控制电路用于产生一第一反馈量以及一第二反馈量供置换耦接至该第一积分电容以及该第二积分电容。该比较器则具有一正相输入端以及一反相输入端分别耦接上述调制单元的上述第一与第二输出信号，并且具有一输出端供应一数字信号。该比较器上述输出端还耦接该反馈控制电路影响上述第一与第二反馈量。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图示，详细说明如下。
图1图解根据本发明一种实施方式所实现的一模拟数字转换器100，其中采用三角积分调制技术；图2A图解调制单元(MODI、M0D2)的一种实施方式；以及
图2B图解上述输入相位PHl与其第一与第二半频相位PHlA与PH1B、以及上述积分相位PH2与其第一与第二半频相位PH2A与PH2B的波形。主要元件符号说明100 模拟数字转换器；200 调制单元；202 反馈控制电路；AVSS 模拟信号地端；CIP、CIN 第一、第二输入电容；CFP、CFN 第一、第二反馈电容；cmp 比较器；CRP、CRN 第一、第二积分电容；FB 调制单元的反馈端；FBI、FB2 第一、第二反馈量；IN 模拟信号；Inp, Inn 调制单元的第一与第二输入端(信号)；MODI、M0D2 调制单元；OP 运算放大器；OUT 比较器cmp的输出端/数字信号；Outp、Outn 调制单元的第一与第二输出端(信号)；PHl、PH1A、PHlB 输入相位与其第一与第二半频相位；PH2、PH2A、PH2B 积分相位与其第一与第二半频相位；Sffl至SW6 第一至第六开关；Sffll 至 SW14、Sff21 至 SW24、Sff31 至 SW34 置换开关；SWAPl至SWAP4 第一至第四置换电路；tl、t2 电容的第一、第二端；Tl 第一输入/反馈模式；T2 第一积分模式；T3 第二输入/反馈模式；T4 第二积分模式；VBG 参考电位；VCM 共模电位端。
具体实施例方式图1图解根据本发明一种实施方式所实现的一模拟数字转换器100，其中采用三角积分调制技术。模拟信号IN输入该模拟数字转换器100后，由至少一阶调制单元(此图示包括两阶第一阶调制单元MODl与第二阶调制单元MO^)所提供的差动架构进行处理，再经比较器cmp转换为数字信号OUT。在其他实施方式中，比较器cmp后方可还耦接低通滤波器等其他装置。如图所示，关于调制单元(MODI、M0D2)的差动架构，各调制单元设计有一第一输入端hp、一第二输入端^m、一第一输出端Outp以及一第二输出端Outn。第一阶调制单元MODl以其第一输入端Inp接收模拟信号In，并以其第二输入端Irm连结模拟信号地端 (analog ground)AVSS，并以其第一与第二输出端Outp与Outn分别耦接下一阶调制单元M0D2的第一输入端Inp与第二输入端Mn。最后一阶调制单元M0D2的第一输出端Outp与第二输出端Outn分别耦接该比较器cmp的正相输入端(标号为‘ + ’)与反相输入端(标号为‘_’)。比较器cmp将差动输入转换为单端输出，呈数字信号OUT。此外，考虑积分上限，调制单元(MODI、M0D2)还设计有反馈端FB。比较器cmp的输出端(同样标号为OUT)还耦接调制单元(M0D1、M0D2)的反馈端FB，作负反馈控制。图2A图解以上调制单元(MODI、M0D2)的一种实施方式。图2A所示的调制单元 200的核心技术讨论如下。第一输入电容CIP以及第二输入电容CIN以置换方式采样该调制单元200第一输入端Inp上的一第一输入信号(同样标号为hp)以及第二输入端Inn上的一第二输入信号(同样标号为hn)。运算放大器OP具有一第一输入端(标号为‘_’ )、一第二输入端(标号为‘ + ’ )， 且具有一第一输出端以及一第二输出端分别提供该调制单元200的一第一输出信号以及一第二输出信号；以下将该第一输出信号与该第二输出信号标示为Outp与Outn，同调制单元200的第一输出端与第二输出端标号。第一积分电容CRP耦接于该运算放大器OP的第一输入端(‘_’)与第一输出端之间。第二积分电容CRN耦接于该运算放大器OP的第二输入端(‘ + ’)与第二输出端之间。上述第一与第二积分电容CRP与CRN以置换方式耦接第一与第二采样电容CIP与CIN。反馈控制电路202产生一第一反馈量FBl以及一第二反馈量FB2，供置换耦接至该第一积分电容CRP以及该第二积分电容CRN。图1模拟数字转换器100的比较器cmp的输出端OUT反馈给该反馈控制电路202，以影响上述第一与第二反馈量FBl与FB2。总的来说，调制单元的输入电容对(第一与第二输入电容CIP与CIN)、积分电容对 (第一与第二积分电容CRP与CRN)、以及差动反馈(第一与第二反馈量FBl与FB2)皆是以置换方式在正端与负端路径上交错使用。如此一来，元件不匹配问题可被有效克服。以下还讨论调制单元200的详细电路结构。首先讨论反馈控制电路202。本发明除了以置换方式将该反馈控制电路202所产生的第一反馈量FBl以及第二反馈量FB耦接至该第一积分电容CRP以及该第二积分电容 CRN，还在反馈控制电路202的采样部分也提供置换操作。如图所示，反馈控制电路202的一第一反馈电容CFP以及一第二反馈电容CFN以置换方式采样一参考电位VBG (如，带隙电位bandgap voltage)以及该第二输入信号Inn。此外，关于图1模拟数字转换器100的比较器cmp的输出端OUT信号对第一与第二反馈量FBl与FB2的影响，讨论如下。当输出端OUT信号为一第一状态(例如，‘1，)时， 该第一反馈电容CFP以及该第二反馈电容CFN负责分别供应该第一反馈量FBl以及该第二反馈量FB2。当输出端OUT信号为一第二状态(例如，‘0’)时，该第一反馈电容CFP以及一第二反馈电容CFN负责分别供应该第二反馈量FB2以及该第一反馈量FBI。所述输出端 OUT反馈设计可避免积分器爆表的问题。此段落详细讨论第一与第二输入电容CIP与CIN对第一与第二输入信号Inp与 hn的采样电路。如图所示，第一开关SWl以及第二开关SW2设计来根据一输入相位PHl导通，以耦接该第一输入电容CIP的一第一端11至一共模电位端VCM、且耦接该第二输入电容 CIN的一第一端tl至该共模电位端VCM。第一置换电路SWAPl设计来在该输入相位PHl的一第一半频相位PHlA耦接该第一输入信号Inp至该第一输入电容CIP的一第二端t2、并耦接该第二输入信号Inn至该第二输入电容CIN的一第二端t2，并在该输入相位PHl的一第二半频相位PHlB耦接该第一输入信号Inp至该第二输入电容CIN的该第二端t2、并耦接该第二输入信号Inn至该第一输入电容CIP的该第二端t2。参阅图中实施方式，第一置换电路SWAPl可包括四个置换开关SW11、SW12、SW13与 SW14。置换开关SWll根据该输入相位PHl的该第一半频相位PHlA导通，以耦接该第一输入信号Inp至该第一输入电容CIP的该第二端t2。置换开关SW12根据该输入相位PHl的该第二半频相位PHlB导通，以耦接该第一输入信号Inp至该第二输入电容CIN的该第二端 t2。置换开关SW13根据该输入相位PHl的该第二半频相位PHlB导通，以耦接该第二输入信号Irm至该第一输入电容CIP的该第二端t2。置换开关SW14根据该输入相位PHl的该第一半频相位导通PH1A，以耦接该第二输入信号Irm至该第二输入电容CIN的该第二端t2。此段落详细讨论第一与第二积分电容CRP与CRN的积分设计。如图所示，一第三开关SW3设计来根据一积分相位PH2导通，以耦接该第一输入电容CIP的该第二端t2至该第二输入电容CIN的该第二端t2。第二置换电路SWAP2设计来在该积分相位PH2的一第一半频相位PH2A耦接该第一输入电容CIP的该第一端tl至该运算放大器OP的该第一输入端(‘_’)、且耦接该第二输入电容CIN的该第一端tl至该运算放大器OP的该第二输入端(‘ +，)，并在该积分相位PH2的一第二半频相位PH2B耦接该第一输入电容CIP的该第一端tl至该运算放大器OP的该第二输入端(‘ + ’)、且耦接该第二输入电容CIN的该第一端tl至该运算放大器OP的该第一输入端(‘_’)。参阅图中实施方式，第二置换电路SWAP2可包括四个置换开关SW21、SW22、SW23与 SWM。置换开关SW21根据该积分相位PH2的该第一半频相位PH2A导通，以耦接该第一输入电容CIP的该第一端tl至该运算放大器OP的该第一输入端(‘_’)。置换开关SW22根据该积分相位PH2的该第二半频相位PH2B导通，以耦接该第一输入电容CIP的该第一端tl 至该运算放大器OP的该第二输入端(‘ + ’)。置换开关SW23根据该积分相位PH2的该第二半频相位PH2B导通，以耦接该第二输入电容CIN的该第一端tl至该运算放大器OP的该第一输入端(‘_，)。置换开关SWM根据该积分相位PH2的该第一半频相位PH2A导通，以耦接该第二输入电容CIN的该第一端tl至该运算放大器OP的该第二输入端(‘ + ’)。此段落详细讨论第一与第二反馈电容CFP与CFN对参考电位VBG与第二输入信号 Inn的采样电路。如图所示，第四开关SW4与第五开关SW5设计来根据该输入相位PHl导通，以耦接该第一反馈电容CIP的一第一端tl至该共模电位端VCM、且耦接该第二反馈电容 CIN的一第一端tl至该共模电位端VCM。第三置换电路SWAP3设计来在该输入相位PHl的该第一半频相位PHlA耦接该参考电位VBG至该第一反馈电容CFP的一第二端t2、并耦接该第二输入信号Inn至该第二反馈电容CFN的一第二端t2，并在该输入相位PHl的该第二半频相位PHlB耦接该参考电位VBG至该第二反馈电容CFN的该第二端t2、并耦接该第二输入信号Inn至该第一反馈电容CFP的该第二端t2。参阅图中实施方式，第三置换电路SWAP3可包括四个置换开关SW31、SW32、SW33与 SW34。置换开关SW31根据该输入相位PHl的该第一半频相位PHlA导通，以耦接该参考电位VBG至该第一反馈电容CIP的该第二端t2。置换开关SW32根据该输入相位PHl的该第二半频相位PHlB导通，以耦接该参考电位VBG至该第二反馈电容CFN的该第二端t2。置换开关SW33根据该输入相位PHl的该第二半频相位PHlB导通，以耦接该第二输入信号Irm 至该第一反馈电容CFP的该第二端t2。置换开关SW34根据该输入相位PHl的该第一半频相位PHlA导通，以耦接该第二输入信号Irm至该第二反馈电容CFN的该第二端t2。另外，图2A还设计一第六开关SW6，根据该积分相位PH2导通，以耦接该第一反馈电容CFP的该第二端t2至该第二反馈电容CFN的该第二端t2。关于第一与第二反馈电容 CFP与CFN究竟如何贡献第一与第二反馈量FBl与FB2作积分，图2A所示实施方式设计有一第四置换电路SWAP4，由图1模拟数字转换器100的比较器cmp的输出端OUT信号控制。 当输出端OUT信号为第一状态(‘1’)时，第四置换电路SWAP4以第一反馈电容CFP的该第一端tl提供上述第一反馈量rai、并以第二反馈CFN电容的该第一端tl提供上述第二反馈量FB2。当输出端OUT信号为第二状态(‘0’)时，第四置换开关SWAP4以第二反馈电容 CFN的该第一端tl提供上述第一反馈量FBI、并以第一反馈电容CFP的该第一端tl提供上述第二反馈量FB2。图2B图解上述输入相位PHl与其第一与第二半频相位PHlA与PH1B、以及上述积分相位PH2与其第一与第二半频相位PH2A与PH2B的波形。输入相位PHl与积分相位PH2 彼此的致能区间错开，输入相位PHl与积分相位PH2的频率相同，但相位不同。关于输入相位PHl，其第一与第二半频相位PHlA与PHlB的致能频率为输入相位PHl的半频，且第一与第二半频相位PHlA与PHlB的致能不重叠。考虑电路元件的寄生电荷问题，相较于输入相位 PHl的除能，相位PHlA与PHlB的除能可稍有延迟。关于积分相位PH2，其第一与第二半频相位PH2A与PH2B的致能频率为积分相位PH2的半频，且第一与第二半频相位PH2A与PH2B 的致能不重叠。考虑电路元件的寄生电荷问题，相较于积分相位PH2的除能，相位PH2A与 PH2B的除能可稍有延迟。由于第一与第二半频相位PHlA与PHlB的频率为输入相位PHl的一半，第一与第二半频相位PH2A与PH2B的频率也为积分相位PH2的一半，因此本发明所涉电路的最快频率为输入相位PHl与积分相位PH2。本发明不需要再将输入相位PHl与积分相位PH2的频率加倍以交换电容的累积，对于越来越高频率的电路而言，不需要加倍电路的操作频率是本发明所具备的一个重大优点。总的来说，调制单元的操作分为四个模式一第一输入/反馈模式Tl、一第一积分模式T2、一第二输入/反馈模式T2以及一第二积分模式。第一输入/反馈模式Tl与第二输入/反馈模式T2彼此为置换操作。第一积分模式T2与第二积分模式T4彼此为置换操作。如此一来调制单元的输入电容对、积分电容对、以及差动反馈皆是以置换方式在正端与负端路径上交错使用。如此一来，元件不匹配问题可被有效克服。虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种采用三角积分调制的模拟数字转换器，包括 至少一个调制单元，其中包括一第一输入电容以及一第二输入电容，置换采样该调制单元的一第一输入信号以及一第二输入信号；一运算放大器，具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端以及一第二输出端， 该第一以及该第二输出端分别提供该调制单元的一第一输出信号以及一第二输出信号；耦接于该运算放大器该第一输入端以及该第一输出端之间的一第一积分电容、以及耦接于该运算放大器该第二输入端以及该第二输出端之间的一第二积分电容，上述第一与第二积分电容置换耦接上述第一与第二采样电容；以及一反馈控制电路，产生一第一反馈量以及一第二反馈量供置换耦接至该第一积分电容以及该第二积分电容；以及一比较器，具有一正相输入端以及一反相输入端分别耦接上述调制单元的上述第一与第二输出信号，并且具有一输出端供应一数字信号，其中，该比较器上述输出端还耦接该反馈控制电路影响上述第一与第二反馈量。
2.如权利要求1所述的模拟数字转换器，其中该反馈控制电路包括一第一反馈电容以及一第二反馈电容，置换采样一参考电位以及该第二输入信号，且于该比较器上述输出端的信号为一第一状态时用于分别供应该第一反馈量以及该第二反馈量，且于该比较器上述输出端的信号为一第二状态时用于分别供应该第二反馈量以及该第一反馈量。
3.如权利要求2所述的模拟数字转换器，包括一第一开关以及一第二开关，根据一输入相位导通，以耦接该第一输入电容的一第一端至一共模电位端、且耦接该第二输入电容的一第一端至该共模电位端；以及一第一置换电路，在该输入相位的一第一半频相位耦接该第一输入信号至该第一输入电容的一第二端、并耦接该第二输入信号至该第二输入电容的一第二端，并于该输入相位的一第二半频相位耦接该第一输入信号至该第二输入电容的该第二端、并耦接该第二输入信号至该第一输入电容的该第二端。
4.如权利要求3所述的模拟数字转换器，其中该第一置换电路包括一第一置换开关，根据该输入相位的该第一半频相位导通，以耦接该第一输入信号至该第一输入电容的该第二端；一第二置换开关，根据该输入相位的该第二半频相位导通，以耦接该第一输入信号至该第二输入电容的该第二端；一第三置换开关，根据该输入相位的该第二半频相位导通，以耦接该第二输入信号至该第一输入电容的该第二端；以及一第四置换开关，根据该输入相位的该第一半频相位导通，以耦接该第二输入信号至该第二输入电容的该第二端。
5.如权利要求3所述的模拟数字转换器，包括一第三开关，根据一积分相位导通，以耦接该第一输入电容的该第二端至该第二输入电容的该第二端；以及一第二置换电路，在该积分相位的一第一半频相位耦接该第一输入电容的该第一端至该运算放大器的该第一输入端、且耦接该第二输入电容的该第一端至该运算放大器的该第二输入端，并于该积分相位的一第二半频相位耦接该第一输入电容的该第一端至该运算放大器的该第二输入端、且耦接该第二输入电容的该第一端至该运算放大器的该第一输入端。
6.如权利要求5所述的模拟数字转换器，其中该第二置换电路包括一第一置换开关，根据该积分相位的该第一半频相位导通，以耦接该第一输入电容的该第一端至该运算放大器的该第一输入端；一第二置换开关，根据该积分相位的该第二半频相位导通，以耦接该第一输入电容的该第一端至该运算放大器的该第二输入端；一第三置换开关，根据该积分相位的该第二半频相位导通，以耦接该第二输入电容的该第一端至该运算放大器的该第一输入端；以及一第四置换开关，根据该积分相位的该第一半频相位导通，以耦接该第二输入电容的该第一端至该运算放大器的该第二输入端。
7.如权利要求5所述的模拟数字转换器，包括一第四开关以及一第五开关，根据该输入相位导通，以耦接该第一反馈电容的一第一端至该共模电位端、且耦接该第二反馈电容的一第一端至该共模电位端；以及一第三置换电路，在该输入相位的该第一半频相位耦接该参考电位至该第一反馈电容的一第二端、并耦接该第二输入信号至该第二反馈电容的一第二端，并于该输入相位的该第二半频相位耦接该参考电位至该第二反馈电容的该第二端、并耦接该第二输入信号至该第一反馈电容的该第二端。
8.如权利要求7所述的模拟数字转换器，其中该第三置换电路包括一第一置换开关，根据该输入相位的该第一半频相位导通，以耦接该参考电位至该第一反馈电容的该第二端；一第二置换开关，根据该输入相位的该第二半频相位导通，以耦接该参考电位至该第二反馈电容的该第二端；一第三置换开关，根据该输入相位的该第二半频相位导通，以耦接该第二输入信号至该第一反馈电容的该第二端；以及一第四置换开关，根据该输入相位的该第一半频相位导通，以耦接该第二输入信号至该第二反馈电容的该第二端。
9.如权利要求7所述的模拟数字转换器，包括一第六开关，根据该积分相位导通，以耦接该第一反馈电容的该第二端至该第二反馈电容的该第二端。
10.如权利要求9所述的模拟数字转换器，包括一第四置换电路，在该比较器上述输出端的信号为该第一状态时以该第一反馈电容的该第一端提供上述第一反馈量、并以该第二反馈电容的该第一端提供上述第二反馈量，且于该比较器上述输出端的信号为该第二状态时以该第二反馈电容的该第一端提供上述第一反馈量、并以该第一反馈电容的该第一端提供上述第二反馈量。
全文摘要
本发明公开一种采用三角积分调制的模拟数字转换器，其中调制单元的输入电容对、积分电容对、以及差动反馈皆是以置换方式在正端与负端路径上交错使用，以有效克服元件不匹配问题。
文档编号H03M1/52GK102522991SQ20111045940
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者卢武宏 申请人:美商威睿电通公司