专利名称：一种可变类型的Sigma-Delta调制器的制作方法
技术领域：
本发明属于CMOS模数转换器技术领域，特别涉及一种可变类型的Sigma-Delta调制器。
背景技术：
模数转换器(Analog-to-Digital convertor,ADC)是连接现实模拟世界和虚拟数字世界的桥梁，在现代信号处理中具有非常重要的作用，广泛用于数字音频、数字电子、图像编码及频率合成等领域。近年来，随着对高精度ADC需求的不断増加，加上传统奈奎斯特ADC难以实现高分辨率的模数转换，使得Sigma-Delta ADC成为模数转换器领域的研究热点。自二十世纪六十年代诞生以来，Sigma-Delta调制技术经过长期发展，已成为超大规模 集成电路系统中实现高性能模数转换接ロ电路的ー个主流技术。基于Sigma-Delta调制技术的Sigma-Delta调制器应用过采样技术和噪声整形技术,把量化噪声推向高频,从而显著提高ADC的信噪比。Sigma-Delta调制器主要由一个A/D转换器、一个D/A转换器和一系列积分器组成，如附图I所示。其中，积分器的个数决定了 Sigma-Delta调制器的阶数。例如，单环调制器中有两个积分器串联，则此单环Sigma-Delta调制器就是ー个单环ニ阶Sigma-Delta调制器。Sigma-Delta调制器的主要性能指标有动态范围(Dynamic Range, DR)、信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)和有效位数(Effective Number of Bits, ΕΝ0Β)等。其中DR是指转换器最大输入信号和能检测到的最小输入信号能量的比值；SNR是指在一定的输入幅度时，转换器输出信号能量与噪声能量的比值；ΕΝ0Β根据转换器的实际SNR值来计算，与SNR密切相关。Sigma-Delta调制器可分为连续时间型和离散时间型两种类型。附图2展示了简单的ー阶离散时间型Sigma-Delta调制器，其采用的积分器结构是开关电容电路。离散时间型Sigma-Delta调制器具有良好的线性度，能容忍较大的时钟抖动，且积分器的増益系数比较稳定；但为了满足精度和速度的要求，调制器中第一级积分器需要高单位增益带宽的运算放大器，一般需要5-10倍的时钟频率，以完成电荷在ー个周期内从采样电容到积分电容的转移。因此，离散时间型Sigma-Delta调制器多应用于音频等低频领域，不适合应用于高频领域。附图3展示了简单的一阶连续时间型Sigma-Delta调制器，其采用的积分器结构是有源RC电路。连续时间型Sigma-Delta调制器采用固定电阻代替开关电容，利用RC电路方式完成积分功能，故对运算放大器的单位增益带宽要求不高，一般为系统的时钟频率即可。因此,连续时间型Sigma-Delta调制器特别适合应用于高频领域。连续时间型Sigma-Delta调制器的缺点是由于有源RC积分器中电阻和电容的值容易受CMOS加工エ艺影响，RC时间常数偏差往往可达到40%，因此会导致噪声传递函数发生偏差，对调制器性能的影响较大。为了解决现有技术中的优化折衷，本发明根据连续时间型和离散时间型Sigma-Delta调制器各自适用的领域,提供一种可变类型的Sigma-Delta调制器在低频领域，选择离散时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能；在高频领域，选择连续时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明目的g在提供一种可变类型的Sigma-Delta调制器，该调制器 应用在高频领域时，可选择连续时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能，避免由于离散时间型Sigma-Delta调制器中运放带宽无法满足要求而导致调制器系统性能的下降；应用在低频领域时，可选择离散时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能，避免由于连续时间型Sigma-Delta调制器中RC时间常数偏差噪声导致调制器系统性能的下降。本发明通过如下技术方案实现一种可变类型的Sigma-Delta调制器，其具有连续时间型和离散时间型两种类型的Sigma-Delta调制器工作模式，其特征在于包括第一积分器、第二积分器、量化器、反馈数模转换器和开关SI ;所述第一积分器与所述第二积分器连接；所述第二积分器与所述量化器连接；所述量化器用于对所述第二积分器的输出进行量化；所述反馈数模转换器连接于所述量化器与所述第一积分器、所述第二积分器之间，用于对第一积分器、第二积分器进行反馈；所述第一积分器包括第一开关电容积分器和第一有源RC积分器，所述第二积分器包括第二开关电容积分器和第二有源RC积分器；所述第一积分器和第二积分器均分别具有开关电容积分器和有源RC积分器两种类型的工作模式；所述第一开关电容积分器包括采样电容Ca、积分电容Cl、开关ckl、ck2、ckl_d和运算放大器ampl ;所述第一有源RC积分器包括电阻Ral、电容Cl和运算放大器ampl ;所述第二开关电容积分器包括采样电容Cb、积分电容C2、开关ckl、ck2、ckl_d和运算放大器amp2 ;所述第二有源RC积分器包括电阻Ra2、电容C2和运算放大器amp2 ；所述开关ckl、ck2、ckl_d均为CMOS互补开关，均由两相非交叠时钟控制；所述开关SI为双向开关，用于选择所述第一积分器和第二积分器工作模式的类型，所述选择是在所述开关电容积分器和有源RC积分器两种类型的工作模式中选择ー种；所述开关SI由芯片外部输入信号控制，由用户根据实际应用场合选择控制。本发明还提供了 由所述双向开关SI选择离散时间型Sigma-Delta调制器或连续时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能。所述第一开关电容积分器和第一有源RC积分器共用所述运算放大器ampl和积分电容Cl ;所述第二开关电容积分器和第二有源RC积分器共用所述运算放大器amp2和积分电容C2。所述量化器的时钟频率由所述开关SI进行选择。在高频领域选择连续时间型Sigma-Delta调制器工作模式完成调制器功能，在低频领域选择离散时间型Sigma-Delta调制器工作模式完成调制器功能。
图I是Sigma-Delta调制器的结构框图。图2是ー阶离散时间型Sigma-Delta调制器结构框图。图3是ー阶连续时间型Sigma-Delta调制器结构框图。图4是本发明设计的可变类型的Sigma-Delta调制器的电路原理图。图5是开关SI选择连续时间型Sigma-Delta调制器结构框图。图6是ニ阶离散时间型Sigma-Delta调制器输出的功率谱密度。图7是RC时间常数偏差对ニ阶离散时间型Sigma-Delta调制器SNR的影响。图8是开关SI选择离散时间型Sigma-Delta调制器结构框图。
图9是ニ阶连续时间型Sigma-Delta调制器输出的功率谱密度。
具体实施例方式下面结合附图和实施案例对本发明作进ー步的说明。本发明设计的ー种可变类型的Sigma-Delta调制器，是用户可根据调制器的具体应用场合，选择连续时间型或者离散时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能。当输入信号频率较高时，为保证一定的过采样率，系统的时钟频率也较高，因此离散时间型Sigma-Delta调制器中的运放带宽不能满足5_10倍的时钟频率，此时选择连续时间型Sigma-Delta调制器完成调制功能。当输入信号频率较低吋，为保证一定的过采样率，系统的时钟频率也较低，为避免连续时间型Sigma-Delta调制器中RC时间常数偏差的影响，选择离散时间型Sigma-Delta调制器完成调制功能,此时调制器中运放的带宽已大于5_10倍的采样频率。本发明的优点在于用户可根据实际应用场合对调制器的类型进行选择，即高频领域使用连续时间型Sigma-Delta调制器，低频领域使用离散时间型Sigma-Delta调制器。本发明设计的可变类型的Sigma-Delta调制器的电路原理如附图4所示，包含第一积分器、第二积分器、量化器和反馈数模转换器。所述第一积分器包括四个开关SI、两个开关ckl_d、两个开关ckl、两个开关ck2、运算放大器amp I、两个采样电容Ca、两个积分电容Cl，两个采样电阻Ral，用于对输入信号进行积分。所述第二积分器包括四个开关SI、两个开关ckl_d、两个开关ckl、两个开关ck2、运算放大器amp2、两个采样电容Cb、两个积分电容C2，两个采样电阻Ra2，用于对所述第一积分器的输出进行积分。所述量化器包括一个开关SI、可供选择的时钟频率CLK_C和CLK_D、动态比较器和RS触发器，用于对所述第二积分器的输出进行量化。所述反馈数模转换器包括四个正反馈电平VREF+、四个负反馈电平VREF-、四个由Qn控制的开关、四个由Qp控制的开关、两个反馈电阻Rbl、两个反馈电阻Rb2、两个正反馈电平Qn和两个负反馈电平Qp，四个开关ck2_d，用于对所述第一积分器、第二积分器进行反馈。电路的具体连接方式为输入信号Vin+连接到第一个SI开关，输入信号VIN_连接第二个SI开关，第一个SI开关的另两个选择端分别连接第一个ckl_d开关的一端和第一个Ral电阻的一端，第一个Ral电阻的另一端连接到第三个SI开关的一个选择端，第一个ckl_d开关的另一端连接到第一个Ca采样电容，第一个Ca采样电容的另一端连接第一个ck2开关和第一个ckl开关，第一个ck2开关的另一端连接到第三个SI开关的另ー个选择端；第二个SI开关的另两个选择端分别连接第二个ckl_d开关的一端和第二个Ral电阻的一端，第二个ckl_d开关的一端连接第二个Ca米样电容的一端,第二个Ca米样电容的另ー端连接到第二个ck2开关和第二个ckl开关，第二个ck2开关连接到第四个SI开关的ー个选择端，第二个Ral电阻连接到第四个开关SI的另ー个选择端；第一个ckl开关的另一端与第二个ckl开关的另一端相连,第三个SI开关的一端连接到运放ampl的正输入端,第四个SI开关的一端连接到运放ampl的负输入端,第一个Cl积分电容连接运放的正输入端和负输出端，第二个Cl积分电容连接到运放的负输入端和正输出端；运放ampl的负输出端连接到第五个SI开关，运放ampl的正输出端连接到第六个SI开关，第五个SI开关的另两个选择端分别连接第三个ckl_d开关的一端和第一个Rbl电阻的一端，第一个Rbl电阻的另一端连接到第七个SI开关的一个选择端，第三个ckl_d开关的另一端连接到第一个Cb采样电容，第一个Cb采样电容的另一端连接第三个ck2开关和第三个ckl开关，第三个ck2开关的另一端连接到第七个SI开关的另ー个选择端；第六个SI开关的另两个选择端分别 连接第四个ckl_d开关的一端和第二个Rbl电阻的一端，第四个ckl_d开关的一端连接第ニ个Cb采样电容的一端，第二个Cb采样电容的另一端连接到第四个ck2开关和第四个ckl开关，第四个ck2开关连接到第八个SI开关的一个选择端，第二个Rbl电阻连接到第八个开关SI的另ー个选择端；第三个ckl开关的另一端与第四个ckl开关的另一端相连，第七个SI开关的一端连接到运放amp2的正输入端,第八个SI开关的一端连接到运放amp2的负输入端，第一个C2积分电容连接运放的正输入端和负输出端,第二个C2积分电容连接到运放的负输入端和正输出端；第二个运算放大器amp2的负输出端连接量化器的ー个输入端，第二个运算放大器amp2的正输入端连接量化器的另ー个输入端，量化器的时钟控制端由第九个SI开关控制，第九个SI开关的另外两个选择端分别连接时钟CLK_D和CLK_C，量化器的输出分别为互补高低电平Qn和Qp ;第一个正反馈电平VREF+连接到第一个Qn开关的一端，第一个负反馈电平VREF-连接到第一个Qp开关一端，第一个Qn开关的另一端和第一个Qp开关一端一起连接到第一个ck2_d开关的一端,第一个ck2_d开关的另一端连接到第一个Ca采样电容和第一个ckl_d开关之间；第ー个Rbl反馈电阻连接于Qn和第一个Ral电阻的一端；第二个正反馈电平VREF+连接到第二个％开关的一端，第二个负反馈电平VREF-连接到第二个Qp开关一端，第二个Qn开关的另一端和第二个Qp开关一端一起连接到第二个ck2_d开关的一端，第二个ck2_d开关的另一端连接到第二个Ca采样电容和第二个ckl_d开关之间；第ニ个Rbl反馈电阻连接于Qp和第二个Ral电阻的一端；第三个正反馈电平VREF+连接到第三个Qn开关的一端，第三个负反馈电平VREF-连接到第三个Qp开关ー端，第三个Qn开关的另一端和第三个Qp开关一端一起连接到第三个ck2_d开关的一端，第三个ck2_d开关的另一端连接到第一个Cb采样电容和第三个ckl_d开关之间；第ー个Rb2反馈电阻连接于Qp和第一个Ra2电阻的一端；第四个正反馈电平VREF+连接到第四个％开关的一端，第四个负反馈电平VREF-连接到第四个Qp开关一端，第四个Qn开关的另一端和第四个Qp开关一端一起连接到第四个ck2_d开关的一端，第四个ck2_d开关的另一端连接到第二个Cb采样电容和第四个ckl_d开关之间；第ニ个Rb2反馈电阻连接于Qp和第二个Ra2电阻的一端。具体工作机制如下
双向开关SI通过芯片外部接ロ进行输入。当SI开关为‘I’时，第一个SI开关选择第一个Ral —端，第二个SI开关选择第二个Ral —端，第三个SI开关选择第一个Ral的另一端，第四个SI开关选择第二个Ral另一端,第五个SI开关选择第一个Ra2 —端,第六个SI开关选择第二个Ra2 —端，第七个SI开关选择第一个Ra2的另一端，第八个SI开关选择第二个Ra2另一端，第九个SI开关选择CLK_C 一端，此时系统结构框图可简化为附图5所示，为ー个ニ阶连续时间型Sigma-Delta调制器。输入信号经过第一积分器、第二积分器后，由量化器进行A/D转换，量化器由动态比较器和RS锁存器实现，输出为Qp和Qn各级积分器的増益系数h和k2由式⑴、⑵确定
权利要求
1.一种可变类型的Sigma-Delta调制器，其具有连续时间型和离散时间型两种类型的Sigma-Delta调制器工作模式，其特征在于包括第一积分器、第二积分器、量化器、反馈数模转换器和开关SI ;所述第一积分器与所述第二积分器连接；所述第二积分器与所述量化器连接；所述量化器用于对所述第二积分器的输出进行量化；所述反馈数模转换器连接于所述量化器与所述第一积分器、所述第二积分器之间，用于对第一积分器、第二积分器进行反馈； 所述第一积分器包括第一开关电容积分器和第一有源RC积分器，所述第二积分器包括第二开关电容积分器和第二有源RC积分器；所述第一积分器和第二积分器均分别具有开关电容积分器和有源RC积分器两种类型的工作模式； 所述第一开关电容积分器包括采样电容Ca、积分电容Cl、开关ckl、ck2、ckl_d和运算放大器ampl ;所述第一有源RC积分器包括电阻Ral、电容Cl和运算放大器ampl ;所述第二开关电容积分器包括米样电容Cb、积分电容C2、开关ckl、ck2、ckl_d和运算放大器amp2 ；所述第二有源RC积分器包括电阻Ra2、电容C2和运算放大器amp2 ；所述开关ckl、ck2、ckl_d均为CMOS互补开关，均由两相非交叠时钟控制； 所述开关SI为双向开关，用于选择所述第一积分器和第二积分器工作模式的类型，所述选择是在所述开关电容积分器和有源RC积分器两种类型的工作模式中选择ー种； 所述开关SI由芯片外部输入信号控制，由用户根据实际应用场合选择控制。
2.根据权利要求I所述的可变类型的Sigma-Delta调制器，其特征在于由所述双向开关SI选择离散时间型Sigma-Delta调制器或连续时间型Sigma-Delta调制器工作模式完成调制器功能。
3.根据权利要求I所述的可变类型的Sigma-Delta调制器，其特征在于所述第一开关电容积分器和第一有源RC积分器共用所述运算放大器ampl和积分电容Cl ;所述第二开关电容积分器和第二有源RC积分器共用所述运算放大器amp2和积分电容C2。
4.根据权利要求I所述的可变类型的Sigma-Delta调制器，其特征在于所述量化器的时钟频率由所述开关SI进行选择。
5.根据权利要求I所述的可变类型的Sigma-Delta调制器，其特征在于在高频领域选择连续时间型Sigma-Delta调制器工作模式完成调制器功能，在低频领域选择离散时间型Sigma-Delta调制器工作模式完成调制器功能。
全文摘要
一种可变类型的Sigma-Delta调制器，包括双向开关、开关电容积分器、有源RC积分器、量化器和反馈数模转换器，具有连续时间型和离散时间型两种类型的Sigma-Delta调制器工作模式。其中双向开关由用户根据实际需要进行选择，在高频领域可令双向开关选择连续时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能，避免由于离散时间型Sigma-Delta调制器中运算放大器带宽无法满足要求而导致调制器系统性能的下降；在低频领域可令双向开关选择离散时间型Sigma-Delta调制器完成调制器功能，避免由于连续时间型Sigma-Delta调制器中RC时间常数偏差噪声导致调制器系统性能的下降。
文档编号H03M3/00GK102723953SQ20121020928
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月22日 优先权日2012年6月22日
发明者沈琪, 王伟印, 赵琳娜, 顾晓峰 申请人:江南大学