开关电容型带通前馈sigma-delta调制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路技术领域，具体设及一种开关电容型带通前馈结构 Sigma-de1ta调制器。
【背景技术】
[0002] 数字电路具有速度快、功耗低、可靠性高等优点，随着数字电子技术及数字信号处 理技术取得快速发展，越来越多的电子设备，甚至包括微机械传感器系统都需要对数字信 号进行处理。电子设备在工作的过程中，所要处理的信号往往是连续变化的模拟变量，如溫 度、压力、加速度等都是模拟量，运些非数字信号的模拟量先要经过传感器变成电压信号或 者电流信号，然后通过模数转换器转换成一定精度的数字量，才能够送往计算机进行处理。
[0003] 近年来，越来越多的巧螺仪和加速度传感器等微机械传感器系统应用在定位、导 航、地震监测、汽车电子等领域。运些传感器系统采集的模拟信号，需要转换为高精度的数 字信号W用来进行数字信号处理。而模数转换器的精度已成为系统整体精度的瓶颈之一。
[0004] 基于sigma-delta调制的模数转换器利用过采样和噪声整形技术，大大简化了模 拟电路的设计，对模拟电路的非理想性相对不敏感，W复杂的数字电路换取相对简单的模 拟电路。因此，sigma-delta模数转换器能W较低的成本来取得极高的分辨率（16位W上）， 非常适合于高精度低带宽应用。 阳〇化]目前大多数的sigma-delta调制器都定位于处理低频20KHZ带宽W内的音频信 号。然而，在很多微机械传感器系统中，传输信号位于高于音频带宽的窄带之内。其他的数 模转换技术，如逐次逼近型ADC、流水线型ADC等由于制造工艺等原因，很难达到12比特W 上的转换精度，因此带通高精度sigma-delta调制器更适合对微机械传感器产生的模拟信 号进行模数转换。
[0006] sigma-delta调制器根据环路结构划分，可W分为单环结构和级联结构。单环结构 的sigma-delta调制器具有对电路非理想特性不敏感的优点，但是高阶的单环结构调制器 存在系统稳定性问题。对于sigma-delta调制器，阶数越高，对量化噪声的滤除效果越好， 但是根据理论分析，高于二阶的单环1位量化sigma-delta调制器，不可能从数学上推出一 个稳定性条件。
[0007] 采用行为仿真可W证明，当输入信号或谐振器初始状态超出一定范围，带通调制 器则会出现振荡，而且，在信号恢复到稳定输入范围后，过度振荡也不会消失。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种开关电容型带通前馈sigma-delta调制器，在克服低通 sigma-delta调制器的带宽限制的同时，采用单环前馈结构，简化电路，并提高系统稳定性。
[0009] -种开关电容型带通前馈sigma-delta调制器，包括：
[0010] 能用于接收输入信号和反馈信号的第一谐振器；
[0011] 能用于接收所述第一谐振器的输出的第二谐振器；
[0012] 能用于接收所述第二谐振器的输出的第=谐振器；
[0013] 能用于接收来自所述输入信号的第一前馈路径、来自所述第一谐振器的第一谐振 路径、来自所述第二谐振器的第二谐振路径、W及来自所述第=谐振器的第=谐振路径的 加法器；
[0014] 能用接收所述的加法器的输出的量化器；
[0015] 所述的带通前馈sigma-delta调制器的来自所述输入信号的第一前馈路径连接 第一前向缩放、来自所述第一谐振器的第一谐振路径连接第二前向缩放和第一加权缩放、 来自所述第二谐振器的第二谐振路径连接第=前向缩放和第二加权缩放、来自所述第=谐 振器的第S谐振路径均连接第S加权缩放，来自所述DAC的输出的反馈路径连接反馈缩 放，上述各信号缩放单元，用W保证环路滤波器稳定性；
[0016] 所述输入信号的第一前馈路径连接所述加法器的第一输入端口，所述第一谐振器 输出的第一谐振路径经过第一加权缩放，连接所述加法器的第二输入端口，所述第二谐振 器输出的第二谐振路径经过第二加权缩放，连接所述加法器的第=输入端口，所述第=谐 振器输出的第=谐振路径经过第=加权缩放，连接所述加法器的第四输入端口；
[0017] 来自所述输出信号的输出路径连接所述反馈DAC的输入端口，来自DAC的输出的 反馈路径经过反馈缩放，连接所述第一谐振器的输入端口，形成反馈环路。
[0018] 所述的带通前馈sigma-delta调制器采用低通原型设计法，即先设计相应的低通 调制器的噪声传输函数NTF和信号传输函数STF，再选择相应的结构，然后根据NTF和STF 求出结构系数，最后根据Z1--Z2的方法将低通调制器转换到带通调制器，f。为信号中屯、 频率，fs为采样频率，此时f。与fS满足关系：f。二fs/4 ;
[0019] 所述的带通前馈sigma-delta调制器的信号传输函数Hs(Z)为：? (Z) = 1;
[0020] 所述的带通前馈sigma-delta调制器的噪声传输函数&(z)为：
其中Hf(Z)为所述sigma-delta调制器的前向传输函数；
[0021]所述的带通前馈sigma-delta调制器的输入信号为X(Z)，输出信号为Y(Z)，所述 量化器引入的量化噪声为E(Z),所W所述的第一谐振器的输入信号RIi(Z)为：RIi(Z)= X(Z)-Y(Z)，因为Y(Z) =Hs(Z) ?X(z)+He(Z) ?E(Z),所WRIi(Z) =-He(Z) ?E(Z)O
[0022] 所述的带通前馈sigma-delta调制器的第一谐振器，能用于接收所述的量化器的 输出和所述的输入信号；所述第一谐振器由=相不交叠时钟控制；包含采样相位、谐振相 位、存储相位=个工作相位；谐振频率位于时钟频率的四分之一。
[0023] 所述第一、第二、第=谐振器皆采用全差分输入，包含正相输入路径、负相输入路 径两个输入路径，每个输入路径包含第一正相采样支路、第二正相采样支路、第=正相采样 支路=个相同结构的采样支路，每个采样支路包含一个采样开关，一个采样电容W及=个 传输开关，所述采样开关及传输开关均设有开关输入端、开关控制端和开关输出端；采用全 差分输出，包含正相输出路径、负相输出路径两个输出路径，每个输出路径包含=个相同结 构的谐振支路，每个谐振支路包含四个传输开关，一个谐振电容。
[0024] 本发明提供了一种用于在带通前馈sigma-delta调制器中处理信号的方法，包 括：
[00巧]在第一谐振器处接收反馈信号和输入信号；
[00%] 在第二谐振器处接收来自所述第一谐振器的输出；
[0027] 在第=谐振器处接收来自所述第二谐振器的输出；
[0028] 在加法器处接收来自所述第一谐振器的输出、来自所述第二谐振器的输出、来自 所述第=谐振器的输出W及所述输入信号；
[0029] 经由量化器将输出反馈到所述采样电路并且从所述带通前馈sigma-delta调制 器输出。
[0030] 所述的第一谐振器，能用于接收所述的量化器的输出和所述的输入信号，由=相 不交叠时钟控制，包含采样相位、谐振相位、存储相位=个工作相位；谐振频率位于时钟频 率的四分之一。
[0031] 本发明的有益效果：通过合理的选择环路滤波器的系数，能够实现有条件稳定的 高阶单环sigma-delta调制器。也就是说当高阶调制器每一级的输入信号限制在一定范围 内，高阶调制器能够稳定的工作。 阳03引本sigma-delta调制器采用了前馈型结构取代常见的反馈型结构，使谐振器的输 入端只包含量化噪声分量，不包含输入信号分量，从而降低了谐振器的输入电平，提高了整 体sigma-delta调制器的环路稳定性。因此本发明提出的带通前馈sigma-delta调制器 适合于高阶单环结构的模数转换器，并且降低了调制器电路对运放等模拟子电路的要求。 由仿真结果得，本发明提出的带通前馈sigma-delta调制器在3. 3V电源电压，时钟频率 800KHZ，中屯、频率200KHZ，信号带宽5KHZ的条件下达到96. 8地信号失真比和106地的动态 范围，满足高精度的巧螺仪、加速度传感器等微机械传感器系统的应用要求。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明开关电容型带通前馈sigma-delta调制器的一种结构图；
[0034] 图2为所述系统时钟信号aK，时钟控制器产生S相不交叠CKA相位时钟、C邸相 位时钟、CKC相位时钟；
[0035] 图3为所述开关电容谐振器的电路结构图；
[0036] 图4为谐振器工作状态流程图；
[0037] 图5为所述带通前馈sigma-delta调制器电路结构图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图来详细说明本发明【具体实施方式】，但本发明并不仅限于此。
[0039] 如图1所示，一种开关电容型带通前馈sigma-delta调制器，包括：
[0040] 能用于接收输入信号和反馈信号的第一谐振器；
[0041] 能用于接收所述第一谐振器的输出的第二谐振器；
[0042] 能用于接收所述第二谐振器的输出的第=谐振器；
[0043] 能用