一种高阶连续时间混合架构Sigma-Delta调制器

一种高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器。


背景技术：

2.sigma-delta调制器是一种基于过采样和噪声整形技术的高精度转换器，近年来，在声学传感器、超声波传感器以及低频电磁应用的模拟前端等高信号带宽与中高转换精度领域，连续时间sigma-delta调制器得到了广泛应用。
3.随着调制器阶数和量化位数的升高，过量环路延时、时钟抖动以及时序误差等各种非理想因素将使调制器的信噪比和动态范围等性能变差。多个有源积分器组成的高阶调制器存在功耗高、系统易振荡等问题，功耗极低的无源积分器能够给环路增加一级lf而成为研究热点，但因其本身不提供增益而无法抑制环路噪声，所以无源积分器如何替换环路中的有源积分器以取得更好的性能仍有待研究。
4.针对多位dac带来的失配误差，市面上普遍使用动态元件匹配(dynamic element matching,dem)校正技术进行补偿。dem技术不仅可以校正幅值误差，还可以在一定程度上改善时序误差对调制器性能的影响，但却牺牲了噪声性能。
5.因此，现有的高阶sigma-delta调制器存在结构复杂、功耗大和底噪大的问题。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述传统技术的缺点，本发明提供一种高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器，用于解决上述技术问题。
7.为实现上述目的，本发明提供一种高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器。
8.所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)，包括单放大器双二阶积分器(101)、无源积分器(102)、有源积分器(103)、多位量化器(104)、编码器(105)、dem模块(106)、d触发器(107)以及多位反馈dac；所述单放大器双二阶积分器(101)的输入端为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)的输入端；所述无源积分器(102)的输入端与所述单放大器双二阶积分器(101)的输出端连接；所述有源积分器(103)的输入端与所述无源积分器(102)的输出端连接；所述多位量化器(104)的输入端与所述有源积分器(103)的输出端连接；所述编码器(105)的输入端与所述多位量化器(104)的输出端连接；所述dem模块(106)的输入端与所述多位量化器(104)的输出端连接；所述d触发器(107)的输入端与所述dem模块(106)的输出端连接；所述多位反馈dac包括主反馈dac1(108)和补偿dac2(109)，其输入端与所述d触发器(107)的输出端连接；所述主反馈dac1(108)的输出端与所述单放大器双二阶积分器(101)的输入端连接；所述补偿dac2(109)的输出端与所述有源积分器(103)的输入端连接。
9.所述单放大器双二阶积分器(101)用于对差分输入信号进行二阶积分；所述无源积分器(102)用于对单放大器双二阶积分器(101)输出的积分信号进行一阶积分；所述有源
积分器(103)用于对无源积分器(102)输出的积分信号进行一阶积分；所述多位量化器(104)用于对有源积分器(103)输出的积分信号进行量化，向编码器(105)和dem模块(106)输出相应的温度计码；所述dem模块(106)用于校正幅值误差，向d触发器(107)输出随机选择后的温度计码；所述d触发器(107)用于抑制输入端干扰，向主反馈dac1(108)和补偿dac2(109)输出随机选择后的温度计码；所述主反馈dac1(108)以所述dem模块(106)随机选择后的温度计码作为开关码，通过控制开关对管来控制输出电流大小，所述dac1(108)以负反馈的形式连接到所述单放大器双二阶积分器(101)的输入端；所述补偿dac2(109)以所述dem模块(106)随机选择后的温度计码作为开关码，通过控制开关对管来控制输出电压大小，所述dac2(109)以负反馈的形式连接到所述有源积分器(103)的输入端。
10.进一步，所述单放大器双二阶积分器(101)包括电容c1、c2，电阻rin1、r1以及运算放大器opa1；所述无源积分器(102)包括电阻r2、r3以及电容c3；所述有源积分器(103)包括电容c4、电阻rin2以及运算放大器opa2；所述多位量化器(104)包括一个分压电阻梯和15个相同的动态比较器；所述编码器(105)包括11个相同的全加器；所述dem模块(106)包括1个对数移位器、1个加法器、1个编码器以及1个指针寄存器；所述d触发器(107)包括1个dff子模块和3个buffer模块；所述主反馈dac1(108)包括dac1偏置单元和15个dac1阵列单元；所述补偿dac2(109)包括dac2偏置单元和15个dac2阵列单元。
11.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
12.所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器使用ciff-fb混合架构，该架构的stf在高频下的滚降为1/f2，快速路径和精确路径是解耦的，有利于高速设计，同时积分器的增益更大，来自环路的失真和噪声都能被降低。
13.使用单放大器双二阶积分器代替传统的级联型有源积分器，使用一个运算放大器实现二阶积分的效果，减小了功耗。
14.使用无源积分器代替传统的有源积分器，通过功耗极低的无源器件实现一阶积分，同时无源网络提供一个局部前馈路径，使所述有源积分器同时作为加法器工作，从而减少了一个反馈dac的使用，实现了架构的简化和功耗的降低。
15.主反馈dac1的偏置电路使用电阻rn和电容cn组成rc低通滤波器，能够有效滤除参考电路发生器中产生的宽带噪声。
16.使用开关电阻dac2作为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器的补偿dac，相较于主反馈dac1，开关电阻dac2在低工作电压下具有更好的噪声性能，同时放宽了有源积分器的增益要求，这在一定程度上减小了功耗。
17.使用一种改进型动态元件匹配校正技术，削弱了非理想因素对反馈dac性能的影响，同时减小了校准模块带来的噪声。
附图说明
18.图1为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器的系统框图。
19.图2为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器在537khz输入信号时的输出频谱示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
21.参见图1，一种高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)主要由单放大器双二阶积分器(101)、无源积分器(102)、有源积分器(103)、多位量化器(104)、编码器(105)、dem模块(106)、d触发器(107)、主反馈dac1(108)以及补偿dac2(109)构成。
22.所述单放大器双二阶积分器(101)的输入作为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)的输入，本实例中，所述单放大器双二阶积分器(101)包括电阻rin1、r1，电容c1、c2和运算放大器opa1。差分输入信号vinp和vinn从电阻rin1的一端输入，单放大器双二阶积分器(101)通过电容c1和c2对差分输入信号进行二阶积分，积分信号从运算放大器opa1的差分输出端输出到所述无源积分器(102)。
23.特别的，所述单放大器双二阶积分器(101)作为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)中最重要的一环，运算放大器opa1的有限增益带宽积和开环增益将影响整个调制器的性能。本实例中，运算放大器opa1的差模带宽设计为2倍的采样频率，同时运算放大器opa1的开环增益设计为50db。
24.所述无源积分器(102)的输入端与所述单放大器双二阶积分器(101)的输出端连接，本实例中，所述无源积分器(102)包括电阻r2、r3和电容c3。经过所述单放大器双二阶积分器(101)的积分信号，从电阻r2的一端输入，通过无源网络实现一阶积分，积分信号从电阻r2的另一端输出到所述有源积分器(103)。
25.特别的，所述无源积分器(102)不提供增益，无法抑制所述单放大器双二阶积分器(101)的热噪声，但以极低的功耗实现了对单放大器双二阶积分器(101)输出信号的一阶积分。在本实例中，无源网络本身提供了一条局部前馈路径，使所述有源积分器(103)能同时作为加法器使用，从而减少了一个反馈dac的使用，简化了高阶连续时间sigma-delta调制器的结构，节省了功耗。
26.所述有源积分器(103)的输入端与所述无源积分器(102)的输出端连接，本实例中，所述有源积分器(103)包括电阻rin2、电容c4和运算放大器opa2。经过无源积分器(102)的积分信号，从电阻rin2的一端输入，通过有源积分器(103)实现一阶积分，积分信号从运算放大器opa2的差分输出端输出到所述多位量化器(104)。
27.特别的，所述有源积分器(103)作为所述无源积分器(102)的后一级积分单元，需要足够的开环增益来抑制无源积分器无法抑制的热噪声，需要足够大的带宽以最大限度地减少反馈回路中的相位失真并保持线性度。本实例中，运算放大器opa2的差模带宽设计为1.5倍的采样频率，同时运算放大器opa2的开环增益设计为45db。
28.所述有源积分器(103)的输出作为所述多位量化器(104)的输入，本实例中，所述多位量化器(104)为4bit flash adc，由一个分压电阻梯和15个相同的动态锁存比较器构成。其中，所述分压电阻梯由16个相同阻值的电阻串联构成，通过电阻分压向15个动态锁存比较器输出参考电压v
ref1-v
ref15
。
29.本实例中，动态锁存比较器基于差分比较器设计，由锁存比较器和标准sr触发器构成，标准sr触发器用于在复位期间保持比较器输出信号，保证所需的输出驱动能力。通过所述多位量化器(104)对有源积分器(103)的输出信号进行量化，向所述dem模块(106)输出
15位温度计码。本实例中，所述多位量化器(104)的参考电压范围介于320mv和880mv之间。
30.所述多位量化器(104)的输出作为所述编码器(105)的输入，本实例中，所述编码器(105)为15-4编码器，由11个相同的1bit全加器构成，所述1bit全加器由3个相同尺寸的与非门和2个相同尺寸的异或门构成。通过进制转换，所述编码器(105)将多位量化器(104)输出的15位温度计码转换为4位二进制码。
31.所述多位量化器(104)的输出作为所述dem模块(106)的输入，本实例中，所述dem模块(106)用于提高所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)的线性度并减轻多位dac的失配。
32.本实例中，所述dem模块(106)包括四个逻辑组件，1个对数移位器，1个加法器，1个指针寄存器，1个编码器。15位温度计码由多位量化器(104)生成后，通过编码器转换为4位二进制码，每个二进制代码用于生成一个指针信号。根据前面的选择，4位指针信号根据前面的阶段选择对数移位器中的相应路径。通过在不同的输入信号之间进行均匀选择，对数移位器向反馈dac输出随机温度计码，从而减轻由不同dac单元之间的不匹配引起的误差。
33.所述dem模块(106)的输出作为所述d触发器(107)的输入，本实例中，所述d触发器(107)包括1个dff子模块和3个用于消除信号毛刺的buffer模块。
34.所述d触发器(107)的输出作为所述主反馈dac1(108)的输入，本实例中，所述主反馈dac1(108)为4bit电流舵dac1，包括dac1偏置电路和15个相同的子阵列单元。dac1偏置电路产生dac1子阵列单元共用的参考电压v
bp1
、v
bp2
、v
bn1
、v
bn2
。
35.特别的，所述主反馈dac1(108)的偏置电路使用电阻rn和电容cn组成rc低通滤波器，能够有效滤除参考电路发生器中产生的宽带噪声。dac1子阵列单元使用级联pmos管作为电流源管，提供了大的输出阻抗。
36.本实例中，经过dem模块(106)随机选择的温度计码通过所述d触发器(107)后，从开关对管m
sw1
和m
sw2
的栅极输入到电流舵dac1子阵列单元，作为开关码控制电流舵dac1的输出电流大小。
37.本实例中，所述主反馈dac1(108)的差分输出端与运算放大器opa1差分输入端连接，主反馈dac1(108)输出的差分电流对所述单放大器双二阶积分器(101)的电容c1进行充电，实现负反馈。
38.所述d触发器(107)的输出作为所述补偿dac2(109)的输入，本实例中，所述补偿dac2(109)为4bit开关电阻dac2，包括dac2偏置电路和15个相同的子阵列单元。
39.特别的，dac2偏置电路产生dac2子阵列单元共用的参考电压vrefp和vrefn，经过所述dem模块(106)随机选择的温度计码通过所述d触发器(107)后，从开关对管m
sw1
和m
sw2
的栅极输入到dac2子阵列单元，作为开关码控制开关电阻dac2(109)的输出电流大小，输出电流经过电阻变成输出电压。
40.本实例中，所述补偿dac2(109)的差分输出端与运算放大器opa2差分输入端连接，补偿dac2(109)输出的差分电压以负反馈形式输入到有源积分器(103)的输入端。
41.需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)，包括单放大器双二阶积分器(101)、无源积分器(102)、有源积分器(103)、多位量化器(104)、编码器(105)、dem模块(106)、d触发器(107)以及多位反馈dac；所述单放大器双二阶积分器(101)的输入端为所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)的输入端；所述无源积分器(102)的输入端与所述单放大器双二阶积分器(101)的输出端连接；所述有源积分器(103)的输入端与所述无源积分器(102)的输出端连接；所述多位量化器(104)的输入端与所述有源积分器(103)的输出端连接；所述编码器(105)的输入端与所述多位量化器(104)的输出端连接；所述dem模块(106)的输入端与所述多位量化器(104)的输出端连接；所述d触发器(107)的输入端与所述dem模块(106)的输出端连接；所述多位反馈dac包括主反馈dac1(108)和补偿dac2(109)，其输入端与所述d触发器(107)的输出端连接；所述主反馈dac1(108)的输出端与所述单放大器双二阶积分器(101)的输入端连接；所述补偿dac2(109)的输出端与所述有源积分器(103)的输入端连接。2.根据权利要求1所述的高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)，其特征在于：所述单放大器双二阶积分器(101)用于对差分输入信号进行二阶积分；所述无源积分器(102)用于对单放大器双二阶积分器(101)输出的积分信号进行一阶积分；所述有源积分器(103)用于对无源积分器(102)输出的积分信号进行一阶积分；所述多位量化器(104)用于对有源积分器(103)输出的积分信号进行量化，向编码器(105)和dem模块(106)输出相应的温度计码；所述dem模块(106)用于校正幅值误差，向d触发器(107)输出随机选择后的温度计码；所述d触发器(107)用于抑制输入端干扰，向主反馈dac1(108)和补偿dac2(109)输出随机选择后的温度计码；所述主反馈dac1(108)以dem模块(106)随机选择后的温度计码作为开关码，通过控制开关对管来控制输出电流大小，主反馈dac1(108)以负反馈的形式连接到单放大器双二阶积分器(101)的输入端；所述补偿dac2(109)以dem模块(106)随机选择后的温度计码作为开关码，通过控制开关对管来控制输出电压大小，补偿dac2(109)以负反馈的形式连接到有源积分器(103)的输入端。3.根据权利要求1所述的高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)，其特征在于：所述单放大器双二阶积分器(101)包括电容c1、c2，电阻rin1、r1以及运算放大器opa1；所述无源积分器(102)包括电阻r2、r3以及电容c3；所述有源积分器(103)包括电容c4、电阻rin2以及运算放大器opa2；所述多位量化器(104)包括一个分压电阻梯和15个相同的动态比较器；所述编码器(105)包括11个相同的全加器；所述dem模块(106)包括1个对数移位器、1个加法器、1个编码器以及1个指针寄存器；所述d触发器(107)包括1个dff子模块和3个buffer模块；所述主反馈dac1(108)包括dac1偏置单元和15个电流舵dac1阵列单元；所述补偿dac2(109)包括dac2偏置单元和15个开关电阻dac2阵列单元。4.根据权利要求1所述的高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)，其特征在于：所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)使用ciff-fb架构，同时采用单放大器双二阶积分器(101)代替传统的级联型有源积分器，采用无源积分器(102)代替有源积分器，相比于使用4个运算放大器和4个反馈dac的四阶4bit量化sigma-delta调制器，所述高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)只使用了2个运算放大器和2个反馈dac，一定程度上减小了功耗。5.根据权利要求1所述的高阶连续时间混合架构sigma-delta调制器(10)，其特征在
于：所述主反馈dac1(108)偏置电路中的电阻r
n
和电容c
n
组成rc低通滤波器，能够有效滤除参考电路发生器中产生的宽带噪声。

技术总结
本发明提供一种高阶连续时间混合架构Sigma-Delta调制器，积分单元包含了一个单放大器双二阶积分器、一个无源积分器和一个有源积分器，与传统高阶Sigma-Delta调制器相比，该混合架构调制器只使用了两个运算放大器，极大降低了功耗。通过在最后一个有源积分器前加入无源网络，降低带外高频信号噪声的同时为环路提供了一条局部前馈路径，从而减少了一个反馈DAC的使用。本发明提供的高阶连续时间混合架构Sigma-Delta调制器，可应用于声学传感器、超声波传感器等宽带领域，同时集成校准技术，实现更高的信噪比和更宽的动态范围。现更高的信噪比和更宽的动态范围。现更高的信噪比和更宽的动态范围。


技术研发人员：韦保林 陈明亮 韦雪明 徐卫林 段吉海
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/9