一种增益可调节的Sigma-Delta调制器

一种增益可调节的sigma-delta调制器
技术领域
1.本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种增益可调节的sigma-delta调制器。


背景技术：

2.模数转换器(analog to digital converters,adc)是连接模拟信号和数字信号的桥梁，在现代通信领域中有着广泛的应用。因为自然界的信号本质上是模拟的，所以在集成电路中模数转换器越来越显出其重要性。sigma-delta调制器利用噪声整形(noise-shaping)和过采样(oversampling)技术将所关心频带内的噪声搬移到更高的频率并且整形，使得有效带宽内的噪声被有效的抑制，从而提高了adc的性能。亚微米技术的利用使得较低电源电压的利用，使得sigma-delta调制器的研究发展朝着低压低功耗、高精度、高速等方面，以适应在生物、医疗等方面领域的应用。随着输入信号的减小，sigma-delta调制器的动态性能急剧减小，为了减轻输入信号减小带来的性能降低，需要对输入信号作放大处理。
3.传统带有前馈通路的二阶cifb discrete-time sigma-delta调制器的信号传递函数(stf)在参数确定好后，就不会在改变。表达式如下述(1)式：
[0004][0005]
传统带有前馈通路的二阶cifb discrete-time sigma-delta调制器的噪声传递函数(ntf)在参数确定好后，就不会再改变。表达式如下述(2)式：
[0006][0007]
从上述(1)、(2)式中得出，改变系数b3、b2、b1会改变stf，但是不会改变ntf，所以调制器的噪声整形功能不变。在b3＝1、b2＝a2，b1＝a1的情况，stf＝1。


技术实现要素：

[0008]
本发明针对现有技术的sigma-delta调制器因随着输入信号的减小，sigma-delta调制器的动态性能急剧减小，提出一种增益可调节的sigma-delta调制器能在调制器部分完成信号放大，减轻了对输入信号幅度的要求。
[0009]
本发明的技术方案为：
[0010]
一种增益可调节的sigma-delta调制器，包括第一开关、第二开关、第三开关、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一积分器、第二积分器、量化器、反馈dac、第一增益放大器、第二增益放大器、第三增益放大器、第四增益放大器、第五增益放大器、第六增益放大器、第七增益放大器；其中，第一增益放大器的输入端通过第一开关后接输入信号，第一增
益放大器的输出端接第一加法器的一个输入端，第一加法器的另一个输入端接第六增益放大器的输出端，第一加法器的输出端接第一积分器的输入端，第一积分器的输出端接第四增益放大器的输入端；第四增益放大器的输出端接第二加法器的第一输入端，第二加法器的第二输入端接第二增益放大器的输出端，第二加法器的第三输入端接第七增益放大器的输出端，第二加法器的输出端接第二积分器的输入端；第二增益放大器的输入端通过第二开关后接输入信号，第六增益放大器和第七增益放大器的输入端接反馈dac的反馈输出；第二积分器的输出接第五增益放大器的输入端，第五增益放大器的输出接第三加法器的一个输入端；第三加法器的另一个输入端接第三增益放大器的输出端，第三增益放大器的输入端通过第三开关后接输入信号；第三加法器的输出端接量化器的一个输入端，量化噪声e(z)在量化器输入，量化器的输出为sigma-delta调制器的输出，同时量化器的输出接反馈dac的输入端；所述第一增益放大器(b11、b12、b14)、第二增益放大器(b21、b22、b24)、第三增益放大器(b31、b32、b34)在第一开关、第二开关、第三开关的控制下具有三种不同的增益组合，使得信号传递函数变化，而噪声传递函数不会改变。
[0011]
如图2所示，第一开关、第一增益放大器、第一加法器和第一积分器由开关电容电路实现，具体包括：第一子开关、第二子开关、第三子开关、第四子开关、第五子开关、第六子开关、第七子开关、第八子开关、第九子开关、第十子开关、第十一子开关、第十二子开关、第十三子开关、第十四子开关、第十五子开关、第十六子开关、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容和跨导放大器；定义增益控制信号为s1和s0、差分输入信号为u
p
和un、共模信号为v
com
、dac反馈信号为v
refp
和v
refn
、两相不交叠时钟信号φ1和φ2；其中，第一子开关的控制信号为φ2，其一端接v
com
，另一端接第一电容的一端，第一电容为增益电容；第二子开关的控制信号为φ2，其一端接v
com
，另一端接第二电容的一端，第二电容为增益电容；第三子开关的控制信号为φ1·
s1，其一端接u
p
，另一端接第一电容的一端；第四子开关的控制信号为φ1·
s0，其一端接u
p
，另一端接第二电容的一端；第五子开关的控制信号为φ1，其一端接u
p
，另一端接第三电容的一端，第三电容为采样电容；第六子开关的控制信号为φ2，其一端接v
refp
，另一端接第三电容的一端；第七子开关的控制信号为φ2，其一端接v
refn
，另一端接第四电容的一端，第四电容为采样电容；第八子开关的控制信号为φ1，其一端接un，另一端接第四电容的一端；第九子开关的控制信号为φ1·
s0，其一端接un，另一端接第五电容的一端，第五电容为增益电容；第十子开关的控制信号为φ1·
s1，其一端接un，另一端接第六电容的一端，第六电容为增益电容；第十一子开关的控制信号为φ2，其一端接v
com
，另一端接第五电容的一端；第十二子开关的控制信号为φ2，其一端接v
com
，另一端接第六电容的一端；第十三子开关的一端接第一电容的另一端、第二电容的另一端、第三电容的另一端，第十三子开关的另一端接跨导放大器的负输入端和第七电容的一端，第七电容的另一端接跨导放大器的正输出端；第十四子开关的一端接第十三子开关的一端，第十四子开关的另一端接v
com
和第十五子开关的一端，第十五子开关的另一端接第四电容的另一端、第五电容的另一端、第六电容的另一端和第十六子开关的一端；第十六子开关的另一端接跨导放大器的正输入端和第八电容的一端，第八电容的另一端接跨导放大器的负输出端；第七电容和第八电容为积分电容；
[0012]
第二开关、第二增益放大器、第二加法器和第二积分器由开关电容电路实现，结构与第一开关、第一增益放大器、第一加法器和第一积分器的开关电容电路相同；第三开关、
第三增益放大器和第三加法器由开关电容电路实现，结构与第一开关、第一增益放大器、第一加法器和第一积分器的开关电容电路相同。
[0013]
通过增益控制开关，控制系数b11 b21 b31、b12 b22 b32、b14 b24 b34三种组合，使得信号传递函数(stf)变化，可选择的增益有1、2、4倍。而噪声传递函数(ntf)不会改变。其中，系数b11 b21 b31对应信号传递函数(stf)1倍缩放，系数b12 b22 b32对应信号传递函数(stf)2倍缩放，系数b14 b24 b34对应信号传递函数(stf)4倍缩放。
[0014]
本发明的有益效果为，本发明减小了sigma-delta调制器对输入信号幅度的要求，增大了输入信号的动态范围。
附图说明
[0015]
图1为带有前馈通路的二阶cifb discrete-time sigma-delta调制器结构。
[0016]
图2为调制器增益控制开关电容电路实现。
[0017]
图3为时钟信号。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0019]
如图1所示，带有前馈通路的二阶cifb discrete-time sigma-delta调制器结构包括：第一积分器104、第二积分器105、增益控制开关101、102和103、量化器106、反馈dac107。
[0020]
所述第一积分器104的输入端接输入信号和反馈dac107的输出，所述第二积分器105的输入端接第一积分器输出104、输入信号和反馈dac107的输出，所述量化器106的输出经过反馈dac107反馈回第一积分器104和第二积分器105输入，所述输入信号经过增益控制开关101、102和103进行信号缩放。
[0021]
其中，量化器采用3bits的flash adc结构，反馈dac采用3bits的电容形式。
[0022]
图2示出了调制器控制增益的实现方式，其中s1和s0是增益控制信号，u
p
和un是输入信号，v
refp
和v
refn
是dac反馈信号，v
com
是输入共模信号，c
s0
和c
s1
是增益电容，cs是采样电容，cf是积分电容，φ1和φ2是两相不交叠时钟信号，ota是跨导运算放大器。
[0023]
具体控制方法如下：
[0024]
φ1为高电平时，采样电容cs对输入信号u
p
和un进行采样，此时φ2为低电平。
[0025]
φ1为高电平时，此时φ2为低电平。s1和s0是增益控制信号，当s1和s0均为0时，增益电容c
s0
和c
s1
此时不对输入信号进行采样，此情况下，当φ2为高电平，φ1为低电平时，积分电容cf通过ota作用，对采样电容cs存储的输入信号进行积分，同时对反馈信号v
refp
和v
refn
进行积分。采样电容cs对输入信号u
p
、un和反馈信号v
refp
、v
refn
都起作用。对应的系数为：
[0026][0027]
当s1为0，s0为1时，φ1为高电平时，此时φ2为低电平，增益电容c
s0
对输入信号采样。此情况下，当φ2为高电平，φ1为低电平时，积分电容cf通过ota作用，对增益电容c
s0
存储的输入信号进行积分。增益电容c
s0
只对输入信号u
p
、un起作用，对反馈信号v
refp
、v
refn
不起作
用。即系数b改变，系数a不变，分别为：
[0028]
取c
s0
＝cs，此时b＝2a，实现了stf的2倍增益，而ntf不变。
[0029]
当s1和s0均为1时，φ1为高电平时，此时φ2为低电平，增益电容c
s0
和c
s1
对输入信号采样。此情况下，当φ2为高电平，φ1为低电平时，积分电容cf通过ota作用，对增益电容c
s0
和c
s1
存储的输入信号进行积分。增益电容c
s0
和c
s1
只对输入信号u
p
、un起作用，对反馈信号v
refp
、v
refn
不起作用。即系数b改变，系数a不变，分别为：
[0030]
取c
s0
＝cs，c
s1
＝2cs，此时b＝4a，实现了stf的4倍增益，而ntf不变。
[0031]
图3示出了φ1和φ2两相不交叠的时钟信号。