前馈式三角积分模拟转数字调变器的制作方法

本发明涉及模拟数字转化器领域，特别是涉及一种前馈式三角积分模拟转数字调变器。

背景技术：

三角积分调变(sigma-deltamodulation，简称sdm)广泛应用在各种电子组件之中，例如：模拟数字转换器、交换电容式滤波器、频率合成器，以及无线通信系统。应用在模拟数字转换器时，由于三角积分调变具有噪声整形(noiseshaping)的特性，三角积分调变的阶数越高，其噪声整形的效果越好，具有提升信号噪声比(signal-to-noiseratio，简称snr)的优点。由于n阶的三角积分调变器需要n个积分器来实现，因此采用二阶以上的高阶三角积分调变器的结构时，会增加功率的消耗以及电路面积。另外，三角积分调变阶数越高，电路也越容易不稳定。

传统技术中揭露了一种三角积分模拟数字调变器的结构，其中在多个积分器之间采用前馈回授的连接方式，提升系统的稳定度，但是后面还要搭配加法器、增益级放大器以及量化器，才能产生输出信号，复杂的电路结构增加了电路面积以及消耗功率。

传统技术中还揭露了一种共享式积分器，该共享式积分器在采用n阶的三角积分调变器时，只需要使用n/2(当n为偶数)或(n+1)/2(当n为奇数)个积分器，再搭配与其结合的运作方法，每个积分器做两次积分运算，即可实现n阶三角积分调变器的功能，降低电子系统的面积与消耗功率。其缺点是应用在三阶以上的三角积分调变器时，是将n/2或(n+1)/2个积分器串接，直接串接积分器容易造成电路系统不稳定，另外积分运算的次数也会随着积分器的数量变多，总共需要做n次或(n+1)次积分运算，降低系统的运作速度。以3阶的三角积分调变器为例，该结构需要2个积分器，总共需要做4次积分运算，相较于2阶的三角积分调变器只需2次积分运算，应用在模拟数字转换器时，3阶三角积分调变器的转换速度只有2阶三角积分调变器转换速度的一半。

有鉴于上述传统技术的问题，需要提供一种具有高稳定度、无需主动电路、只需一个比较器就能达成多位量化功能的调变器。

技术实现要素：

鉴于此，有必要针对传统技术中调变器不稳定，消耗功率大的问题，提供一种具有高稳定度、无需主动电路、只需一个比较器就能达成多位量化功能的前馈式三角积分模拟转数字调变器。

为了解决上述的问题，本发明提出一种前馈式三角积分模拟转数字调变器，包括：

输入端电容切换电路，接收输入时序控制信号、输入电压以及电容切换信号，并且产生积分输入信号；

前馈式积分器，接收所述积分输入信号、连续渐进式控制信号以及输入时序控制信号，并且产生积分输出信号；

多位量化器，接收所述积分输出信号以及量化基准控制信号，并且产生调变输出信号；

连续渐进式控制电路，接收所述调变输出信号，产生所述量化基准控制信号、所述连续渐进式控制信号以及数据加权平均信号；以及

数据加权平均电路，接收素数数据加权平均信号，并且产生所述电容切换信号。

在其中一个实施例中，所述前馈式积分器包括多个处理积分运算的积分电路，所述多个积分电路的连接方式包括：

所述多个积分电路串接成多个级数，第一级积分电路接收所述积分输入信号，经过积分运算产生串接输出信号连接至第二级积分电路的输入端，之后前一级的积分电路的输出信号连接至下一级积分电路的输入端；以及

各级积分电路分别产生另一输出信号，所述输出信号互相连接成为所述积分输出信号。

在其中一个实施例中，所述第一级积分电路以及中间各级积分电路包括：

第一组开关电路，其输入端耦接积分输入信号，输出端耦接至放大器的一个输入端；

所述放大器，其一个输入端连接至所述第一组开关电路的输出端，另一输入端接地，输出端同时耦接至第二组开关电路以及第三组开关电路的输入端；

所述第二组开关电路，其输入端耦接至所述放大器的输出端，输出端耦接至第二电容；

所述第三组开关电路，其输入端耦接至所述放大器的输出端，输出端耦接至第三电容；

第一电容，耦接于所述第一组开关电路的输出端以及所述放大器的输入端之间；

所述第二电容，耦接于所述第二组开关电路的输出端以及积分输出信号之间；以及

所述第三电容，耦接于所述第三组开关电路的输出端以及串接输出信号之间。

在其中一个实施例中，所述最后一级积分电路包括：

第一组开关电路，其输入端耦接积分输入信号，输出端耦接至放大器的一个输入端；

所述放大器，其输入端连接至所述第一组开关电路的输出端，另一输入端接地，输出端耦接至第二组开关电路的之输入端；

所述第二组开关电路，其输入端耦接至所述放大器的输出端，输出端耦接至第二电容；

第一电容，耦接于所述第一组开关电路的输出端以及所述放大器的输入端之间；

所述第二电容，耦接于所述第二组开关电路的输出端以及积分输出信号之间。

在其中一个实施例中，所述第一级积分电路以及中间各级积分电路包括：

第一组开关电路，其输入端耦接积分输入信号

差动放大器，其正输入端耦接至所述第一组开关电路的输出端；

第二组开关电路，其输入端耦接至所述差动放大器的负输出端；

第三组开关电路，其输入端耦接至所述差动放大器的负输出端；

第一电容，耦接于所述差动放大器的正输入端以及负输出端之间；

第二电容，耦接于所述第二组开关电路的输出端以及积分输出信号之间；

第三电容，耦接于所述第三组开关电路的输出端以及串接输出信号之间；

负端第一组开关电路，其输入端耦接负端输入信号；

负端第二组开关电路，其输入端耦接至所述差动放大器的正输出端；

负端第三组开关电路，其输入端耦接至所述差动放大器的正输出端；

负端第一电容，耦接于所述差动放大器的负输入端以及正输出端之间；

负端第二电容，耦接于所述负端第二组开关电路的输出端以及负积分输出信号之间；以及

负端第三电容，耦接于所述负端第三组开关电路的输出端以及负串接输出信号之间。

在其中一个实施例中，所述最后一级积分电路以及中间各级积分电路包括：

第一组开关电路，其输入端耦接积分输入信号；

差动放大器，其正输入端耦接至所述第一组开关电路的输出端；

第二组开关电路，其输入端耦接至所述差动放大器的负输出端；

第一电容，耦接于所述差动放大器的正输入端以及负输出端之间；

第二电容，耦接于所述第二组开关电路的输出端以及积分输出信号之间；

负端第一组开关电路，其输入端耦接负端输入信号；

负端第二组开关电路，其输入端耦接至所述差动放大器的正输出端；

负端第一电容，耦接于所述差动放大器的负输入端以及正输出端之间；以及

负端第二电容，耦接于所述负端第二组开关电路的输出端以及负积分输出信号之间。

在其中一个实施例中，所述第一组开关电路包括：

第一开关，耦接于输入端与输出端之间，并且由第一开关控制信号控制开关状态；以及

第二开关，耦接于输入端与接地端之间，并且由第二开关控制信号控制开关状态；

所述第二组开关电路包括：

第一开关，耦接于输入端与输出端之间，并且由第一开关控制信号控制开关状态；以及

第二开关，耦接于输出端与接地端之间，并且由第二开关控制信号控制开关状态。

在其中一个实施例中，所述开关电路的控制方法包括：

第一操作时序，产生第一时序信号，此时每一个第一组开关电路的左右两端接点没有导通，并且使左边接点接地，右边接点为悬浮状态，同时每一个第二组开关电路的左右两端接点导通，每一个第三组开关电路的左右两端接点没有导通，使所述第一操作时序对各级积分电路的第二电容进行充电取样的动作；

连续渐进式控制时序，产生连续渐进式控制信号，依序导通每一级积分电路的第三组开关电路，控制各级积分电路的第三电容的充电电量，此时每一个第二组开关电路以及第三组开关电路的左右两端接点都没有导通；以及

第二时序，每一个第一组开关电路的左右两端接点导通，同时每一个第二组开关电路的左右两端接点没有导通，并且使左边接点为悬浮状态，右边接点接地，每一个第三组开关电路的左右两端接点没有导通。

在其中一个实施例中，所述各级积分电路中的所述第二电容或所述负端第二电容，其电容值可以调整，并依此调整积分输出信号的大小。

在其中一个实施例中，所述输入端电容切换电路包括多个互相并联的电容切换单元，所述电容切换单元接收正参考电压、负参考电压、输入电压、时序信号以及切换信号，并且产生输出信号；

其中所述电容切换单元包括：

第一切换开关，其一端和所述正参考电压连接；

第二切换开关，连接于负参考电压和所述第一切换开关之间；

第三切换开关，其一端连接于所述第一切换开关以及所述第二切换开关，另一端接地；

第四切换开关，其一端和所述输入电压连接；

第五切换开关，其一端和所述第四切换开关连接，另一端接地；

所述第一切换电容，其一端和所述第一切换开关、所述第二切换开关以及所述第三切换开关连接，另一端连接至输出端；以及

第二切换电容，其一端和所述第四切换开关以及所述第五切换开关连接，另一端连接至输出端。

在其中一个实施例中，所述切换开关的控制方法包括：

第一操作时序，产生第一时序信号，直接导通第四切换开关，并且同时根据一温度计码依序导通每个电容切换单元的第一切换开关以及第二切换开关，此时第三切换开关以及第五切换开关不会导通；以及

第二操作时序，产生第二时序信号，直接导通第三切换开关以及第五切换开关，此时第一切换开关、第二切换开关以及第四切换开关不会导通。

在其中一个实施例中，所述多位量化器包括比较器，并且使用连续渐进式控制电路产生量化基准控制信号，依此调整所述比较器的比较准位，使所述比较器产生多位的调变输出信号。

本发明的有益效果包括：

上述前馈式三角积分模拟转数字调变器，整合了回授电路、加法电路以及量化电路。整合后的电路结构具有高稳定度的优点，并不需要主动电路，并采用连续逼近法的控制电路，使得只用一个比较器就达成多位量化功能。

附图说明

图1为一个实施例中前馈式三角积分模拟转数字调变器的结构示意图；

图2为一个实施例中的前馈式积分器的结构示意图；

图3为一个实施例中的前馈式积分器的单级积分电路的结构示意图；

图4为一个实施例中的前馈式积分器的电路图；

图5为一个实施例中的前馈式积分器的单级积分差动电路结构示意图；

图6为一个实施例中的输入端电容切换电路的结构示意图；

图7为一个实施例中的输入电容切换单元的结构示意图；

图8为一个实施例中的前馈式积分器的差动电路以及多位量化器的电路图；

图9为一个实施例中的前馈式积分器的各级积分电路中的第一组开关电路的结构示意图；

图10为一个实施例中的前馈式积分器的各级积分电路中的第二组开关电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明将参照下述实施例而更明确地描述。请注意本发明的实施例的以下描述，仅止于描述用途；这不意味为本发明已详尽的描述或限制于该揭露的形式。

首先，请参见图1并辅以参考图8，其显示三阶前馈式三角积分模拟转数字调变器1的结构。该前馈式三角积分模拟转数字调变器1包括输入端电容切换电路10、前馈式积分器20、多位量化器30、连续渐进式控制电路40以及数据加权平均电路50。该输入端电容切换电路10接收输入时序控制信号s125、输入电压s123以及电容切换信号s52，并且产生积分输入信号s261。该前馈式积分器20接收积分输入信号s261、连续渐进式控制信号s263以及输入时序控制信号s125，并且产生积分输出信号s264。该多位量化器30接收积分输出信号s264以及量化基准控制信号s31，并且产生调变输出信号s32。该连续渐进式控制电路40接收调变输出信号s32，产生量化基准控制信号s31、连续渐进式控制信号s263以及数据加权平均信号s51。该数据加权平均电路50接收数据加权平均信号s51，并且产生电容切换信号s52。

接下来，请参见图2，其显示前馈式积分器20的架构结构。该前馈式积分器20由多个处理积分运算的积分电路串接而成，并且由控制信号控制每一级积分电路的输出。以本实施例来说，该前馈式积分器20包括第一级积分电路21、第二级积分电路22以及第三级积分电路23。该第一级积分电路21接收积分输入信号s261以及积分时序控制信号s262，经过积分运算产生两个输出信号，分别连接到下一级积分电路和最后的输出点。中间各级积分电路接收前一级的输出信号以及控制信号，经过积分运算产生两个输出信号，分别连接到下一级积分电路和最后的输出点。最后一级积分电路接收前一级的输出信号以及控制信号，经过积分运算产生一个输出信号，直接连接到最后的输出点。

再请参见图3，其显示前馈式积分器20的单级积分电路结构。以该前馈式积分器20中的第一级积分电路21为例，该第一级积分电路21包括一个放大器247、三个电容(第一电容244、第二电容245、第三电容246)以及三组开关电路(第一组开关电路241、第二组开关电路242、第三组开关电路243)。其中第一组开关电路241的输入端耦接积分输入信号s261，其输出端耦接至放大器247中的一个输入端。该放大器247的另一输入端接地，输出端同时耦接至第二组开关电路242以及第三组开关电路243的输入端。该第一电容244耦接于第一组开关电路241的输出端以及该放大器247的输入端之间。该第二电容245耦接于第二组开关电路242的输出端以及积分输出信号s264之间。该第三电容246耦接于第三组开关电路243的输出端以及串接输出信号s265之间。中间各级积分电路的结构与第一级积分电路21的结构相同，差别在于第一级积分电路21的输入端接收积分输入信号s261，而中间各级积分电路的输入端接收前一级的串接输出信号s265。

接下来，请同时参阅图3与图4，其显示一个实施例中的前馈式积分器20的电路图，该前馈式积分器20的最后一级积分电路23包括一个放大器247、二个电容以及二组开关电路。其中第一组开关电路241的输入端耦接积分输入信号s261及积分时序控制信号s262，其输出端耦接至放大器247的输入端。该放大器247的另一输入端接地，输出端耦接至第二组开关电路242的输入端。该第一电容244耦接于第一组开关电路241的输出端以及该放大器247的输入端之间。该第二电容245耦接于第二组开关电路242的输出端以及积分输出信号s264之间。

请参阅图5，其显示一个实施例中的前馈式积分器20的单级积分差动电路结构。依照本发明的构想，该前馈式积分器20的第一级积分电路21也可以采用差动结构实现，具有提升信号噪声比(snr)的功效，其结构包括一个差动放大器257、六个电容(第一电容244、第二电容245、第三电容246、负端第一电容254、负端第二电容255、负端第三电容256)以及六组开关电路(第一组开关电路241、第二组开关电路242、第三组开关电路243、负端第一组开关电路251、负端第二组开关电路252、负端第三组开关电路253)。其中第一组开关电路241的输入端耦接积分输入信号s261及积分时序控制信号s262，其输出端耦接至该差动放大器257的正输入端。该差动放大器257的负输出端同时耦接至第二组开关电路242以及第三组开关电路243的输入端。该第一电容244耦接于第一组开关电路241的输出端以及该差动放大器257的正输入端之间。该第二电容245耦接于第二组开关电路242的输出端以及积分输出信号s264之间。该第三电容246耦接于第三组开关电路243的输出端以及串接输出信号s265之间。负端第一组开关电路251的输入端耦接负端输入信号，其输出端耦接至该差动放大器257的负输入端。该差动放大器257的正输出端同时耦接至负端第二组开关电路252以及负端第三组开关电路253的输入端。该负端第一电容254耦接于负端第一组开关电路251的输出端以及该差动放大器257的负输入端之间。该负端第二电容255耦接于负端第二组开关电路252的输出端以及负端积分输出信号s264之间。该负端第三电容256耦接于负端第三组开关电路253的输出端以及负端串接输出信号s265之间。中间各级积分电路的结构与第一级积分电路21的结构相同，差别在于第一级积分电路21的输入端接收输入信号以及负端输入信号，而中间各级积分电路的输入端接收前一级的正端串接输出信号s265以及负端串接输出信号s265。

在一个实施例中，前馈式积分器20的最后一级积分电路23也可以采用差动结构实现，其结构包括一个差动放大器257、四个电容(第一电容244、第二电容245、负端第一电容254、负端第二电容255)以及四组开关电路(第一组开关电路241、第二组开关电路242、负端第一组开关电路251、负端第二组开关电路252)。其中第一组开关电路241的输入端耦接输入信号，其输出端耦接至该差动放大器257的正输入端。该差动放大器257的负输出端耦接第二组开关电路242的输入端。该第一电容244耦接于第一组开关电路241的输出端以及该差动放大器257的正输入端之间。该第二电容245耦接于第二组开关电路242的输出端以及积分输出信号s264之间。负端第一组开关电路251的输入端耦接负端输入信号，其输出端耦接至该差动放大器257的负输入端。该差动放大器257的正输出端耦接负端第二组开关电路252的输入端。该负端第一电容254耦接于负端第一组开关电路251的输出端以及该差动放大器257的负输入端之间。该负端第二电容255耦接于负端第二组开关电路252的输出端以及负端积分输出信号s264之间。

接着请参阅图9、图10，其显示一个实施例中的各级积分电路中的第一组开关电路241及第二组开关电路242的结构。如图所示，该第一组开关电路241包括两个开关(第一开关248、第二开关249)，第一开关248耦接于输入端与输出端之间，并且由第一开关248控制信号控制开关状态。第二开关249耦接于输入端与接地端之间，并且由第二开关249控制信号控制开关状态。第二组开关电路242也包括两个开关(第一开关248、第二开关249)，第一开关248耦接于输入端与输出端之间，并且由第一开关248控制信号控制开关状态。第二开关249耦接于输出端与接地端之间，并且由第二开关249控制信号控制开关状态。

在一个实施例中，前馈式积分器20的各级积分电路的第二电容245或者负端第二电容255，其电容值可以调整，并依此调整积分输出信号264的大小。

在一个实施例中，前馈式积分器20的开关电路的控制方法分为三个操作时序。在第一操作时序产生第一时序信号，此时每一个第一组开关电路241的左右两端接点没有导通，并且使左边接点接地，右边接点为悬浮状态，同时每一个第二组开关电路242的左右两端接点导通，每一个第三组开关电路243的左右两端接点没有导通。此时序对各级积分电路的第二电容245进行充电取样的动作。接着进入连续渐进式控制时序，此时产生连续渐进式控制信号s263，依序导通每一级积分电路的第三组开关电路243，控制各级积分电路的第三电容246的充电电量，此时每一个第二组开关电路242以及第三组开关电路243的左右两端接点都没有导通。最后进入第二时序，此时每一个第一组开关电路241的左右两端接点导通，同时每一个第二组开关电路242的左右两端接点没有导通，并且使左边接点为悬浮状态，右边接点接地，每一个第三组开关电路243的左右两端接点没有导通。由于积分电路具有前馈回授路径用电容直接连接的特性，利用上述的时序操作控制电容的充放电即可完成三角积分运算，在输出端节省加法器的电路。

请参阅图6，其显示一个实施例中的输入端电容切换电路10的结构。在一个实施例中，前馈式三角积分模拟转数字调变器1的输入端电容切换电路10包括多个互相并联的输入电容切换单元101，这些输入电容切换单元101接收正参考电压s121、负参考电压s122、输入电压s123、时序信号以及切换信号，并且产生输出信号。

请再参阅图7，其显示输入电容切换单元101的架构。在一个实施例中，输入电容切换单元101包括五个切换开关(第一切换开关111、第二切换开关112、第三切换开关113、第四切换开关114、第五切换开关115)以及两个电容(第一切换电容116、第二切换电容117)。该第一切换开关111的一端和正参考电压s121连接，另一端与第二切换开关112、第三切换开关113以及第一切换电容116互相连接。第二切换开关112的另一端和负参考电压s122连接，第三切换开关113的另一端接地，第一切换电容116的另一端和第二切换电容117连接，第二切换电容117的另一端和第四切换开关114以及第五切换开关115连接。第四切换开关114的另一端连接输入电压s123，第五切换开关115的另一端接地。

这些切换开关的控制方法分为两个操作时序，在第一操作时序会产生第一时序信号，直接导通第四切换开关114，并且同时根据一温度计码信号s124依序导通每个输入电容切换单元101的第一切换开关111以及第二切换开关112，此时第三切换开关113以及第五切换开关115不会导通。在第二操作时序会产生第二时序信号，直接导通第三切换开关113以及第五切换开关115，此时第一切换开关111、第二切换开关112以及第四切换开关114不会导通。其功效在于根据数据加权平均电路50的输出信号，依序切换电容切换单元中的电容，产生前馈式积分器20的输入信号，降低电容值不匹配造成的噪声。

最后，请再参阅图8，其显示一个实施例中的前馈式积分器20的差动电路以及多位量化器30的电路图。在一个实施例中，多位量化器30，可用一个比较器实现，并且使用连续渐进式控制电路40产生量化基准控制信号s31，依此调整比较器的比较准位，使该比较器产生多位的调变输出信号s32。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

符号说明：

1前馈式三角积分模拟转数字调变器；10输入端电容切换电路；20前馈式积分器；21第一级积分电路；22第二级积分电路；23第三极积分电路；30多位量化器；40连续渐进式控制电路；50数据加权平均电路；101输入电容切换单元；111第一切换开关；112第二切换开关；113第三切换开关；114第四切换开关；115第五切换开关；116第一切换电容；117第二切换电容；121正参考电压；122负参考电压；123输入电压；241第一组开关电路；242第二组开关电路；243第三组开关电路；244第一电容；245第二电容；246第三电容；247放大器；248第一开关；249第二开关；251负端第一组开关电路；252负端第二组开关电路；253负端第三组开关电路；254负端第一电容；255负端第二电容；256负端第三电容；257差动放大器；

s31量化基准控制信号；s32调变输出信号；s51数据加权平均信号；s52电容切换信号；s124温度计码信号；s125输入时序控制信号；s261积分输入信号；s262积分时序控制信号；s263连续渐进式控制信号；s264积分输出信号；s265串接输出信号。