T=n-1时刻的输入信号Vin(n-1)。第=采样支路的采样电容负端通 过传输开关与运算放大器输入端连接，将T=n-2时刻的输入信号Vin(n-2)传输到运算放 大器进行运算。运算放大器的输出端通过所述谐振器的第=谐振支路的传输开关连接第= 谐振支路的谐振电容正端，第=谐振支路的谐振电容负端通过传输开关连接运算放大器负 向输入端，由于运放的输入端认为是虚地，所W第=谐振支路的谐振电容存储T=n时刻的 输出信号Vout(n)。第二谐振支路的谐振电容正负两端均断开，仍然存储上一个时钟周期T =n-1时刻的输出信号Vout(n-1)。第=谐振支路的谐振电容负端通过传输开关与运算放 大器输入端连接，将T=n-2时刻的输出信号Vout(n-2)传输到运算放大器进行运算。
[0062]则在T=n时亥Ij，输出端有：Vout(n) = - Vin(n-2) -Vout(n-2);
[0063]在T=n+1 时亥ij，输出端有：Vout(n+1) = -Vin(n-1) -Vout(n-1);
[0064]在T=n巧时刻，输出端有：Vout(n+2) = -Vin(n)-Vout(n)。 W65] 所述谐振器传输函数在Z域的表达为：
W66] 低通调制器中采用积分器作为低通滤波器，积分器的传输函数为
，因此所述谐振器完成由低通调制器到带通调制器的Zi--Z2变换。所 述谐振器无需额外添加延时单元，所W适合构成前馈结构带通sigma-delta调制器。
[0067]在其他发明中使用的开关电容谐振器仅采样两个采样支路，其传输函数为：
.需要额外添加延时单元，增加设计复杂度。 W側一种带通前馈sigma-delta调制器，其电路结构图如附图5所示，包括所述第一谐 振器51、所述第二谐振器52、所述第=谐振器53、所述加法器54、所述量化器55、所述反馈 DAC56。
[0069] 所述输入信号的第一前馈路径，连接所述51的输入端口，51的输出端口连接所述 第一谐振路径；所述第一谐振路径连接所述52的输入端口，52的输出端口连接所述第二谐 振路径；所述第二谐振路径连接所述53的输入端口，53的输出端口连接所述第=谐振路 径。
[0070] 所述输入信号的第一前馈路径连接所述54的第一输入端口，所述第一谐振路径 连接54的第二输入端口，所述第二谐振路径连接54的第=输入端口，所述第=谐振路径连 接54的第四输入端口。 阳071] 所述54的输出端口所述55的输入端口。55为单比特量化器，即比较器。55的输 出为调制器的整体输出信号D0,W及整体输出信号的反相DOB。
[0072] 由于所述55为单比特量化器，所W56为单比特DAC，可W用4个MOS开关组成56。 56包含561、562两个PMOS开关W及563、564两个NMOS开关。每个MOS开关的源端作为输 入端，栅端作为控制端，漏端作为输出端。56U562的输入端连接正相参考电压源，563、563 的输入端连接负相参考电压源。来自所述输出信号DO的正相输出路径连接所述56U563 的控制端口；输出信号DOB的负相输出路径连接所述562、564的控制端口；56U563的输出 端口连接56的负相反馈路径，562、564的输出端口连接56的正相反馈路径。
[0073] 所述第一谐振器51的电路图如图3所示，56的正向反馈路径连接51的311、312、 313 =个正相采样支路的传输开关一的输入端，56的负向反馈路径连接51的321、322、323 =个负相采样支路的传输开关一的输入端，由此构成反馈环路。
[0074] 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。
【主权项】
1. 一种开关电容型带通前馈sigma-delta调制器，其特征在于，包括： 能用于接收输入信号和反馈信号的第一谐振器； 能用于接收所述第一谐振器的输出的第二谐振器； 能用于接收所述第二谐振器的输出的第Ξ谐振器； 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Ξ谐振器的第Ξ谐振路径的加 法器； 能用接收所述的加法器的输出的量化器； 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Ξ前向缩放和第二加权缩放、来自所述第Ξ谐振器 的第Ξ谐振路径均连接第Ξ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； 进一步包括位于反馈路径的能用于接收来自所述量化器的数模转换器（DAC)，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，来自所述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； 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。=fs/4 ; 所述的带通前馈sigma-delta调制器的信号传输函数Hs(z)为：Hs(z) = 1 ; 所述的带通前馈sigma-delta调制器的噪声传输函数&仁）为：，其 中Hf(z)为所述sigma-delta调制器的前向传输函数； 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Υ(ζ)，所述量 化器引入的量化噪声为Ε(ζ)，所W所述的第一谐振器的输入信号RIi(z)为：RIi(z)= Χ(ζ)-Υ(ζ)，因为Υ(ζ)=Hs(z) ·Χ(ζ)+Ηε(ζ)·Ε(ζ)，所WRIi(z)=-He(z)·Ε(ζ)。2. 如权利要求1所述的带通前馈sigma-delta调制器，其特征在于， 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； 所述的第一谐振器，由Ξ相不交叠时钟控制；包含采样相位、谐振相位、存储相位Ξ个 工作相位； 所述的第一谐振器，谐振频率位于时钟频率的四分之一。3. 如权利要求1所述的带通前馈sigma-delta调制器，其特征在于， 所述第一、第二、第Ξ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Ξ正相采样支路 Ξ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Ξ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Ξ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。4. 一种用于在带通前馈sigma-delta调制器中处理信号的方法，其特征在于，包括： 在第一谐振器处接收反馈信号和输入信号； 在第二谐振器处接收来自所述第一谐振器的输出； 在第Ξ谐振器处接收来自所述第二谐振器的输出； 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Ξ谐振器的输出W及所述输入信号； 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。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，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Ξ相不交叠时钟控制； 包含采样相位、谐振相位、存储相位Ξ个工作相位； 谐振频率位于时钟频率的四分之一。6. -种如权利要求1-3任一项所述的带通前馈sigma-delta调制器的应用，其特征在 于，所述调制器被集成到巧螺仪、加速度传感器中。
【专利摘要】本发明公开了一种带通前馈sigma-delta调制器，包括三个级联的开关电容谐振器模块、加法器模块、量化器模块、反馈DAC模块。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，中心频率200KHz，信号带宽5KHz的条件下达到96.8dB信号失真比和106dB的动态范围，满足高精度的陀螺仪、加速度传感器等微机械传感器系统的应用要求。
【IPC分类】H03C1/52
【公开号】CN105406822
【申请号】CN201510867512
【发明人】曹天霖, 韩雁, 刘义冬, 张世峰, 陈雅雅
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月1日