開關(guān)電容型帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種開關(guān)電容型帶通前饋結(jié)構(gòu) Sigma-de1ta調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字電路具有速度快、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，隨著數(shù)字電子技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處 理技術(shù)取得快速發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備，甚至包括微機(jī)械傳感器系統(tǒng)都需要對(duì)數(shù)字信 號(hào)進(jìn)行處理。電子設(shè)備在工作的過程中，所要處理的信號(hào)往往是連續(xù)變化的模擬變量，如溫 度、壓力、加速度等都是模擬量，運(yùn)些非數(shù)字信號(hào)的模擬量先要經(jīng)過傳感器變成電壓信號(hào)或 者電流信號(hào)，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一定精度的數(shù)字量，才能夠送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
[0003] 近年來，越來越多的巧螺儀和加速度傳感器等微機(jī)械傳感器系統(tǒng)應(yīng)用在定位、導(dǎo) 航、地震監(jiān)測(cè)、汽車電子等領(lǐng)域。運(yùn)些傳感器系統(tǒng)采集的模擬信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù) 字信號(hào)W用來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度已成為系統(tǒng)整體精度的瓶頸之一。
[0004] 基于sigma-delta調(diào)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用過采樣和噪聲整形技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了模 擬電路的設(shè)計(jì)，對(duì)模擬電路的非理想性相對(duì)不敏感，W復(fù)雜的數(shù)字電路換取相對(duì)簡(jiǎn)單的模 擬電路。因此，sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器能W較低的成本來取得極高的分辨率（16位W上）， 非常適合于高精度低帶寬應(yīng)用。 陽〇化]目前大多數(shù)的sigma-delta調(diào)制器都定位于處理低頻20KHZ帶寬W內(nèi)的音頻信 號(hào)。然而，在很多微機(jī)械傳感器系統(tǒng)中，傳輸信號(hào)位于高于音頻帶寬的窄帶之內(nèi)。其他的數(shù) 模轉(zhuǎn)換技術(shù)，如逐次逼近型ADC、流水線型ADC等由于制造工藝等原因，很難達(dá)到12比特W 上的轉(zhuǎn)換精度，因此帶通高精度sigma-delta調(diào)制器更適合對(duì)微機(jī)械傳感器產(chǎn)生的模擬信 號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0006] sigma-delta調(diào)制器根據(jù)環(huán)路結(jié)構(gòu)劃分，可W分為單環(huán)結(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。單環(huán)結(jié)構(gòu) 的sigma-delta調(diào)制器具有對(duì)電路非理想特性不敏感的優(yōu)點(diǎn)，但是高階的單環(huán)結(jié)構(gòu)調(diào)制器 存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。對(duì)于sigma-delta調(diào)制器，階數(shù)越高，對(duì)量化噪聲的濾除效果越好， 但是根據(jù)理論分析，高于二階的單環(huán)1位量化sigma-delta調(diào)制器，不可能從數(shù)學(xué)上推出一 個(gè)穩(wěn)定性條件。
[0007] 采用行為仿真可W證明，當(dāng)輸入信號(hào)或諧振器初始狀態(tài)超出一定范圍，帶通調(diào)制 器則會(huì)出現(xiàn)振蕩，而且，在信號(hào)恢復(fù)到穩(wěn)定輸入范圍后，過度振蕩也不會(huì)消失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種開關(guān)電容型帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，在克服低通 sigma-delta調(diào)制器的帶寬限制的同時(shí)，采用單環(huán)前饋結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化電路，并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0009] -種開關(guān)電容型帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，包括：
[0010] 能用于接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的第一諧振器；
[0011] 能用于接收所述第一諧振器的輸出的第二諧振器；
[0012] 能用于接收所述第二諧振器的輸出的第=諧振器；
[0013] 能用于接收來自所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑、來自所述第一諧振器的第一諧振 路徑、來自所述第二諧振器的第二諧振路徑、W及來自所述第=諧振器的第=諧振路徑的 加法器；
[0014] 能用接收所述的加法器的輸出的量化器；
[0015] 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的來自所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑連接 第一前向縮放、來自所述第一諧振器的第一諧振路徑連接第二前向縮放和第一加權(quán)縮放、 來自所述第二諧振器的第二諧振路徑連接第=前向縮放和第二加權(quán)縮放、來自所述第=諧 振器的第S諧振路徑均連接第S加權(quán)縮放，來自所述DAC的輸出的反饋路徑連接反饋縮 放，上述各信號(hào)縮放單元，用W保證環(huán)路濾波器穩(wěn)定性；
[0016] 所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑連接所述加法器的第一輸入端口，所述第一諧振器 輸出的第一諧振路徑經(jīng)過第一加權(quán)縮放，連接所述加法器的第二輸入端口，所述第二諧振 器輸出的第二諧振路徑經(jīng)過第二加權(quán)縮放，連接所述加法器的第=輸入端口，所述第=諧 振器輸出的第=諧振路徑經(jīng)過第=加權(quán)縮放，連接所述加法器的第四輸入端口；
[0017] 來自所述輸出信號(hào)的輸出路徑連接所述反饋DAC的輸入端口，來自DAC的輸出的 反饋路徑經(jīng)過反饋縮放，連接所述第一諧振器的輸入端口，形成反饋環(huán)路。
[0018] 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器采用低通原型設(shè)計(jì)法，即先設(shè)計(jì)相應(yīng)的低通 調(diào)制器的噪聲傳輸函數(shù)NTF和信號(hào)傳輸函數(shù)STF，再選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)NTF和STF 求出結(jié)構(gòu)系數(shù)，最后根據(jù)Z1--Z2的方法將低通調(diào)制器轉(zhuǎn)換到帶通調(diào)制器，f。為信號(hào)中屯、 頻率，fs為采樣頻率，此時(shí)f。與fS滿足關(guān)系：f。二fs/4 ;
[0019] 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的信號(hào)傳輸函數(shù)Hs(Z)為：? (Z) = 1;
[0020] 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的噪聲傳輸函數(shù)&(z)為：
其中Hf(Z)為所述sigma-delta調(diào)制器的前向傳輸函數(shù)；
[0021]所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的輸入信號(hào)為X(Z)，輸出信號(hào)為Y(Z)，所述 量化器引入的量化噪聲為E(Z),所W所述的第一諧振器的輸入信號(hào)RIi(Z)為：RIi(Z)= X(Z)-Y(Z)，因?yàn)閅(Z) =Hs(Z) ?X(z)+He(Z) ?E(Z),所WRIi(Z) =-He(Z) ?E(Z)O
[0022] 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的第一諧振器，能用于接收所述的量化器的 輸出和所述的輸入信號(hào)；所述第一諧振器由=相不交疊時(shí)鐘控制；包含采樣相位、諧振相 位、存儲(chǔ)相位=個(gè)工作相位；諧振頻率位于時(shí)鐘頻率的四分之一。
[0023] 所述第一、第二、第=諧振器皆采用全差分輸入，包含正相輸入路徑、負(fù)相輸入路 徑兩個(gè)輸入路徑，每個(gè)輸入路徑包含第一正相采樣支路、第二正相采樣支路、第=正相采樣 支路=個(gè)相同結(jié)構(gòu)的采樣支路，每個(gè)采樣支路包含一個(gè)采樣開關(guān)，一個(gè)采樣電容W及=個(gè) 傳輸開關(guān)，所述采樣開關(guān)及傳輸開關(guān)均設(shè)有開關(guān)輸入端、開關(guān)控制端和開關(guān)輸出端；采用全 差分輸出，包含正相輸出路徑、負(fù)相輸出路徑兩個(gè)輸出路徑，每個(gè)輸出路徑包含=個(gè)相同結(jié) 構(gòu)的諧振支路，每個(gè)諧振支路包含四個(gè)傳輸開關(guān)，一個(gè)諧振電容。
[0024] 本發(fā)明提供了一種用于在帶通前饋sigma-delta調(diào)制器中處理信號(hào)的方法，包 括：
[00巧]在第一諧振器處接收反饋信號(hào)和輸入信號(hào)；
[00%] 在第二諧振器處接收來自所述第一諧振器的輸出；
[0027] 在第=諧振器處接收來自所述第二諧振器的輸出；
[0028] 在加法器處接收來自所述第一諧振器的輸出、來自所述第二諧振器的輸出、來自 所述第=諧振器的輸出W及所述輸入信號(hào)；
[0029] 經(jīng)由量化器將輸出反饋到所述采樣電路并且從所述帶通前饋sigma-delta調(diào)制 器輸出。
[0030] 所述的第一諧振器，能用于接收所述的量化器的輸出和所述的輸入信號(hào)，由=相 不交疊時(shí)鐘控制，包含采樣相位、諧振相位、存儲(chǔ)相位=個(gè)工作相位；諧振頻率位于時(shí)鐘頻 率的四分之一。
[0031] 本發(fā)明的有益效果：通過合理的選擇環(huán)路濾波器的系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)有條件穩(wěn)定的 高階單環(huán)sigma-delta調(diào)制器。也就是說當(dāng)高階調(diào)制器每一級(jí)的輸入信號(hào)限制在一定范圍 內(nèi)，高階調(diào)制器能夠穩(wěn)定的工作。 陽03引本sigma-delta調(diào)制器采用了前饋型結(jié)構(gòu)取代常見的反饋型結(jié)構(gòu)，使諧振器的輸 入端只包含量化噪聲分量，不包含輸入信號(hào)分量，從而降低了諧振器的輸入電平，提高了整 體sigma-delta調(diào)制器的環(huán)路穩(wěn)定性。因此本發(fā)明提出的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器 適合于高階單環(huán)結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且降低了調(diào)制器電路對(duì)運(yùn)放等模擬子電路的要求。 由仿真結(jié)果得，本發(fā)明提出的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器在3. 3V電源電壓，時(shí)鐘頻率 800KHZ，中屯、頻率200KHZ，信號(hào)帶寬5KHZ的條件下達(dá)到96. 8地信號(hào)失真比和106地的動(dòng)態(tài) 范圍，滿足高精度的巧螺儀、加速度傳感器等微機(jī)械傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明開關(guān)電容型帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的一種結(jié)構(gòu)圖；
[0034] 圖2為所述系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)aK，時(shí)鐘控制器產(chǎn)生S相不交疊CKA相位時(shí)鐘、C邸相 位時(shí)鐘、CKC相位時(shí)鐘；
[0035] 圖3為所述開關(guān)電容諧振器的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖4為諧振器工作狀態(tài)流程圖；
[0037] 圖5為所述帶通前饋sigma-delta調(diào)制器電路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0039] 如圖1所示，一種開關(guān)電容型帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，包括：
[0040] 能用于接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的第一諧振器；
[0041] 能用于接收所述第一諧振器的輸出的第二諧振器；
[0042] 能用于接收所述第二諧振器的輸出的第=諧振器；
[0043] 能用