前馈式三角积分调制器的制造方法
【专利摘要】前馈式三角积分调制器包括逐次逼近式模拟数字转换器、数字模拟转换器、N个积分器、第一加法器、第二加法器及最佳零点产生单元，其中N是正整数。该N个积分器的每一积分器的输出端耦接该逐次逼近式模拟数字转换器；该数字模拟转换器耦接在该第一加法器与该逐次逼近式模拟数字转换器之间；该第一加法器耦接该N个积分器的第一积分器的输入端；该第二加法器耦接于该N个积分器的第K积分器的输入端，其中K为小于N的正整数；该最佳零点产生单元耦接在该第二加法器与该N个积分器的第K+1积分器的输出端之间。
【专利说明】前馈式三角积分调制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种前馈式三角积分调制器(feedforward delta-sigmamodulator),尤指一种在电荷领域(charge domain)中实现加法器功能的前馈式三角积分调制器。
【背景技术】
[0002]当前馈型三角积分调制器是在电压领域(voltage domain)实现加法器时,前馈型三角积分调制器会因为使用额外的运算放大器，而增加了功耗。另外，因为运算放大器有限的频宽会造成多余的回路延迟时间(excess loop delay, ELD),所以降低了三角积分调制器的性能。
[0003]当前馈型三角积分调制器是在电流领域(current domain)实现加法器时，因为转导单元需要足够线性(linear)才不会降低三角积分转换器的线性度，所以增加了三角积分调制器的芯片面积、功耗和复杂度。
[0004]当前馈型三角积分调制器利用前馈电容和最后一级积分器的积分电容比例实现前馈系数时，因为在低噪声要求下积分电容通常很大，所以前馈电容也跟着变大，导致前馈型三角积分调制器耗用较大的芯片面积。另外，前馈电容会增加前馈型三角积分调制器的运算放大器的耗电。
[0005]另一种前馈式三角积分调制器是利用一个多输入的比较器，将各前馈路径直接输入比较器，其中前馈式三角积分调制器的输入晶体管的大小比例用来实现前馈系数。但具有多输入的比较器的前馈式三角积分调制器的缺点在于每一前馈系数对相对应的积分器输出端的共模电压敏感，所以当前馈式三角积分调制器的积分器的共模输出电压不一致时，前馈式三角积分调制器的前馈系数会有很大的偏移。
[0006]另外，因为量化器和模拟数字转换器的延迟时间(delay time)会造成三角积分调制器的效能下降，甚至使三角积分调制器的回路不稳定，所以现有技术是在量化器输入和三角积分调制器的输出端之间加上一个额外的数字模拟转换器作补偿。但额外的数字模拟转换器会增加三角积分调制器的芯片面积和耗电。
[0007]因此，对于使用者而言，现有技术所提供的前馈型三角积分调制器都不是很好的选择。
【发明内容】
[0008]有鉴于上述现有技术的问题，本发明提供一种前馈式三角积分调制器。该前馈式三角积分调制器是在电荷领域(charge domain)实现前馈式三角积分调制器所需的加法器功能，以解决上述现有技术的问题。
[0009]本发明的一实施例提供一种前馈式三角积分调制器。该前馈式三角积分调制器包括逐次逼近式模拟数字转换器、数字模拟转换器、N个积分器、第一加法器、第二加法器及最佳零点产生单元。该逐次逼近式模拟数字转换器包括N+1个输入端，及用来输出数字信号的输出端，其中该N+1个输入端中的一输入端用来接收模拟输入信号，且N是正整数；该数字模拟转换器耦接于该逐次逼近式模拟数字转换器的输出端，用来接收该数字信号，并据以产生模拟反馈信号；该N个积分器中的每一积分器的输出端耦接该N+1个输入端中的相对应的输入端；该第一加法器耦接于该数字模拟转换器，用来加总该模拟输入信号和该模拟反馈信号至该N个积分器中的第一积分器；该第二加法器耦接于该N个积分器中的第K积分器的输入端，其中该第K积分器的输出端稱接于该N个积分器的第K+1积分器的输入端，且K为小于N的正整数；该最佳零点产生单元耦接在该第二加法器与该第K+1积分器的输出端之间。
[0010]相较于现有技术，本发明具有下列优点:第一、本发明是在电荷领域实现前馈式三角积分调制器所需的加法器功能，所以本发明不需要额外的运算放大器及转导放大器，导致本发明具有较小的芯片面积、较低的功耗和较低的复杂度；第二、该前馈式三角积分调制器的采样电容的电容值仅与参考电容的电容值有关(即该前馈式三角积分调制器的采样电容的电容值仅与该参考电容的电容值成比例)而与该前馈式三角积分调制器的积分器内的积分电容无关，所以该前馈式三角积分调制器的采样电容的电容值可以很小，导致该前馈式三角积分调制器的积分器中运算放大器的耗电降低；第三、该前馈式三角积分调制器对每一积分器的输出共模电压、每一积分器的输出电压和模拟输入信号的振幅不敏感，所以前馈式三角积分调制器适合高速、高分辨率和低耗电的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是说明一种前馈式三角积分调制器的示意图。
[0012]图2是本发明的一实施例说明逐次逼近式模拟数字转换器的示意图。
[0013]图3是说明逐次逼近式模拟数字转换器102的操作时序示意图。
[0014]附图标记说明
[0015]100 前馈式三角积分调制器102 逐次逼近式模拟数字转换器
[0016]104 数字模拟转换器108 第一加法器
[0017]110 第二加法器112 最佳零点产生单元
[0018]1028参考电压产生单元1030 参考电压切换单元
[0019]1032比较器1034 共模开关
[0020]1036逐次逼近式逻辑控制单元 1061-1063 积分器
[0021]10221-10224开关单元AIS 模拟输入信号
[0022]AFS 模拟反馈信号Cr参考电容
[0023]CT 共模端CS比较信号
[0024]CK 频率DS数字信号
[0025]flC-f4C采样电容SS频闪信号
[0026]V2-V4 输出电压Os米样信号
[0027]Φ8Β共模开关信号
[0028]C>L1、C>L2、C>L3、C>L4、C>L5控制信号
[0029]Oh 维持信号
【具体实施方式】
[0030]请参照图1,图1是说明一种前馈式三角积分调制器(feedforward delta-sigmamodulator) 100的示意图。如图1所示，前馈式三角积分调制器100包括逐次逼近式模拟数字转换器(successive approximat1n Analog-to-Digital Converter) 102、数字模拟转换器104、3个积分器1061-1063、第一加法器108、第二加法器110及最佳零点产生单元112。但本发明并不受限于前馈式三角积分调制器100包括3个积分器1061-1063。逐次逼近式模拟数字转换器102包括4个输入端，及用来输出数字信号DS的输出端，其中逐次逼近式模拟数字转换器102的4个输入端中的一输入端用来接收模拟输入信号AIS。数字模拟转换器104耦接于逐次逼近式模拟数字转换器102的输出端，用来接收数字信号DS，并据以产生模拟反馈信号AFS。3个积分器1061-1063中的每一积分器的输出端耦接逐次逼近式模拟数字转换器102的4个输入端中的相对应的输入端以及下一积分器的输入端。例如，积分器1061的输出端耦接逐次逼近式模拟数字转换器102的4个输入端中的相对应的输入端以及积分器1062的输入端。第一加法器108耦接于数字模拟转换器104和积分器1061，用来加总模拟输入信号AIS和模拟反馈信号AFS至积分器1061。第二加法器110耦接于和积分器1061与和积分器1062之间。但本发明并不受限于第二加法器110耦接于积分器1061与和积分器1062之间，即第二加法器110可耦接于3个积分器1061-1063中的任二积分器之间。最佳零点产生单元112耦接在第二加法器110与积分器1063的输出端之间，用来产生零点以抑制前馈式三角积分调制器100的噪声。但本发明并不受限于最佳零点产生单元112耦接在第二加法器110与积分器1063的输出端之间，即最佳零点产生单兀112可稱接于任二相邻积分器的一积分器的输入端与另一积分器的输出端之间。
[0031]请参照图2，图2是本发明的一实施例说明逐次逼近式模拟数字转换器102的示意图。如图2所示，逐次逼近式模拟数字转换器102包括4个开关单元10221-10224、4个采样电容flC-f4C、参考电容Cr、参考电压产生单元1028、参考电压切换单元1030、比较器1032、共模开关1034及逐次逼近式逻辑控制单元1036。4个开关单元10221-10224的第一开关单兀10221稱接于第一加法器108的输入端与4个米样电容flC-f4C的第一米样电容10241之间，4个开关单元10221-10224的其余开关单元中的每一开关单元耦接于3个积分器1061-1063中的每一积分器的输出端与4个米样电容flC-f4C的相对应的米样电容之间，且4个采样电容flC-f4C的电容值互相成比例。例如，开关单元10222耦接于积分器1061的输出端与相对应的采样电容10242之间。参考电压产生单元1028用来产生多个参考电压。参考电压切换单元1030包括多个开关，且参考电压切换单元1030耦接于参考电压产生单元1028、参考电容Cr和共模端CT，其中多个开关用来决定参考电容Cr的第一端接收共模端CT的共模电压或多个参考电压中的一参考电压。比较器1032包括:第一输入端，耦接于4个采样电容flC-f4C和参考电容Cr ;第二输入端，耦接于共模端CT ;第三输入端，用来接收频闪信号SS ;及输出端，用来输出比较信号CS。共模开关1034包括:第一端，耦接于4个采样电容f lC-f4C和参考电容Cr ;及第二端，耦接于共模端CT，逐次逼近式逻辑控制单元1036包括:第一输入端，用来接收频率CK ;第二输入端，用来接收比较信号CS ;第一输出端，用来输出频闪信号SS ;第二输出端，用来输出控制信号；及第三输出端，用来输出数字信号DS。
[0032]请参照图3，图3是说明逐次逼近式模拟数字转换器102的操作时序的示意图。前馈式三角积分调制器100利用电荷守恒原理，通过电荷重新分布(charge-redistribut1n)来达成电荷领域(charge domain)加法。另外，前馈式三角积分调制器100利用采样电容flC-f4C和参考电容Cr的电容值的比例来实现前馈系数fl_f4。
[0033]在采样信号Os期间，共模开关1034接收共模开关信号Osa，所以共模开关1034开启，导致采样电容flC-f4C的第二端与参考电容Cr的第二端接收共模端CT的共模电压。即采样电容flC-f4C的第二端与参考电容Cr的第二端被重置。当4个开关单元10221-10224接收采样信号Os时(如图3所示的采样区间)，采样电容flC_f4C的第一端分别对模拟输入信号AIS和3个积分器1061-1063的输出端的输出电压V2-V4米样。在米样信号Os期间，逐次逼近式逻辑控制单元1036根据前馈式三角积分调制器100上一次所输出的数字信号，产生至参考电压切换单元1030的控制信号Φ--。因此，参考电压切换单元1030即可根据控制信号Φ LI，切换参考电容Cr的第一端接收参考电压产生单元1028所产生的多个参考电压中的相对应的参考电压。如此，前馈式三角积分调制器100便可完成延迟补偿(Excess Loop Delay Compensat1n),而不需现有技术所需的额外的数字模拟转换器作延迟补偿。
[0034]在4个开关单元10221-10224接收维持信号Oh时(如图3所示的维持区间)，采样电容fic-f4C的第一端接收共模端CT的共模电压，所以采样电容fic-f4C在采样信号Φδ期间所米样的模拟输入信号AIS和3个积分器1061-1063的输出端的输出电压V2-V4会传递至采样电容flC-f4C的第二端。此时，逐次逼近式逻辑控制单元1036产生至参考电压切换单元1030的控制信号OL2。因此，参考电压切换单元1030即可根据控制信号OL2，切换参考电容Cr的第一端接收共模端CT的共模电压，所以参考电容Cr在采样信号Φ s期间所接收的相对应的参考电压也会传递至参考电容Cr的第二端。如此，参考电容Cr的第二端的电荷和采样电容flC-f4C的第二端的电荷即可被重新分布。
[0035]在控制信号ΦL2产生后，逐次逼近式逻辑控制单元1036根据频率CK，产生频闪信号SS驱动比较器1032以及产生至参考电压切换单元1030的控制信号Φ L3、Φ L4、Φ L5…，所以参考电压切换单元1030即可根据控制信号Φ?3、Φ?4、Φ?5...，切换参考电容Cr的第一端接收参考电压产生单元1028所产生的多个参考电压中的相对应的参考电压。因此，当切换参考电容Cr的第一端每次接收参考电压产生单元1028所产生的多个参考电压中的相对应的参考电压时，参考电容Cr的第二端的电荷和采样电容flC-f4C的第二端的电荷即可再次被重新分布，以产生相对应的电压。此时，比较器1032即可根据相对应的电压和共模端CT的共模电压，完成传统的逐次逼近式模拟数字转换的操作。
[0036]另外，上述实施例仅利用单端操作说明本发明。即，本发明并不受限于单端(single-ended)或差动(differential)操作。
[0037]综上所述，相较于现有技术，本发明所提供的前馈式三角积分调制器具有下列优点:第一、本发明是在电荷领域实现前馈式三角积分调制器所需的加法器功能，所以本发明不需要额外的运算放大器及转导放大器，导致本发明具有较小的芯片面积、较低的功耗和较低的复杂度；第二、前馈式三角积分调制器的采样电容的电容值仅与参考电容的电容值有关(即，采样电容的电容值仅与参考电容的电容值成比例)而与积分器内的积分电容无关，所以采样电容的电容值可以很小，导致积分器中运算放大器的耗电降低；第三、本发明对每一积分器的输出共模电压、每一积分器的输出电压和模拟输入信号的振幅不敏感，所以本发明适合高速、高分辨率和低耗电的应用。
【权利要求】
1.一种前馈式三角积分调制器，包括: 逐次逼近式模拟数字转换器，包括N+1个输入端及用来输出数字信号的输出端，其中该N+1个输入端中的一输入端用来接收模拟输入信号，且N是正整数； 数字模拟转换器，耦接于该逐次逼近式模拟数字转换器的输出端，用来接收该数字信号，并据以产生模拟反馈信号； N个积分器，其中每一积分器的输出端稱接该N+1个输入端中的相对应的输入端； 第一加法器，耦接于该数字模拟转换器，用来加总该模拟输入信号和该模拟反馈信号至该N个积分器中的第一积分器； 第二加法器，耦接于该N个积分器中的第K积分器的输入端，其中该第K积分器的输出端耦接于该N个积分器中的第K+1积分器的输入端，且K为小于N的正整数；及最佳零点产生单元，耦接在该第二加法器与该第K+1积分器的输出端之间。
2.如权利要求1所述的前馈式三角积分调制器，其中该逐次逼近式模拟数字转换器包括: N+1个开关单元； N+1个采样电容，其中该N+1个开关单元的第一开关单元耦接于该第一加法器的输入端与该N+1个采样电容的第一采样电容之间，且该N+1个开关单元的其余开关单元中的每一开关单兀稱接于该N个积分器中的每一积分器的输出端与该N+1个米样电容的相对应的采样电容之间； 参考电容，其中该N+1个采样电容和该参考电容的电容值互相成比例； 参考电压产生单元，用来产生多个参考电压； 参考电压切换单元，包括多个开关，该参考电压切换单元稱接于该参考电压产生单元、该参考电容和共模端，其中所述多个开关用来决定该参考电容的第一端接收该共模端的共模电压或所述多个参考电压中的一参考电压； 比较器，包括:第一输入端，耦接于该N+1个采样电容和该参考电容；第二输入端，耦接于该共模端；第三输入端，用来接收频闪信号；及用来输出比较信号的输出端； 共模开关，包括耦接于该N+1个采样电容与该参考电容的第一端及耦接于该共模端的第二端；及 逐次逼近式逻辑控制单元，包括:第一输入端，用来接收频率；第二输入端，用来接收该比较信号；第一输出端，用来输出该频闪信号；第二输出端，用来输出控制信号；及第三输出端，用来输出该数字信号。
3.如权利要求2所述的前馈式三角积分调制器，其中当该第一开关单元接收采样信号时，该第一采样电容的第一端对该模拟输入信号采样，当该开关单元接收该采样信号时，该相对应的米样电容的第一端对该积分器的输出端的输出电压米样，以及在该米样信号期间，该逐次逼近式逻辑控制单元根据该控制信号来控制该参考电压切换单元，以便切换该参考电容接收该多个参考电压中的相对应的参考电压，其中该相对应的参考电压与该逐次逼近式逻辑控制单元前一次所输出的数字信号有关。
4.如权利要求2所述的前馈式三角积分调制器，其中当该开关单元接收维持信号时，该相对应的采样电容的第一端接收该共模电压，当该第一开关单元接收该维持信号时，该第一采样电容的第一端接收该共模电压，以及在该维持信号的开始，该逐次逼近式逻辑控制单元根据该控制信号来控制该参考电压切换单元，以便切换该参考电容的第一端接收该共模电压。
5.如权利要求4所述的前馈式三角积分调制器，其中当该相对应的采样电容的第一端接收该共模电压时，该相对应的采样电容传递该积分器的输出端的输出电压至该相对应的采样电容的第二端，以及当该第一采样电容的第一端接收该共模电压时，该第一采样电容传递该模拟输入信号至该第一采样电容的第二端。
6.如权利要求4所述的前馈式三角积分调制器，其中在该维持信号期间以及该参考电容的第一端接收该共模电压后，该逐次逼近式逻辑控制单元根据该控制信号来控制该参考电压切换单元，使该参考电容接收该多个参考电压中的相对应的参考电压。
7.如权利要求2所述的前馈式三角积分调制器，其中在丨采样信号期间，该共模开关开启(ON)，且该N+1个采样电容的第二端与该参考电容的第二端耦接该共模端。
【文档编号】H03M3/02GK104348489SQ201310320233
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】张哲维 申请人:瑞昱半导体股份有限公司