T=n-1時(shí)刻的輸入信號(hào)Vin(n-1)。第=采樣支路的采樣電容負(fù)端通 過(guò)傳輸開關(guān)與運(yùn)算放大器輸入端連接，將T=n-2時(shí)刻的輸入信號(hào)Vin(n-2)傳輸?shù)竭\(yùn)算放 大器進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算放大器的輸出端通過(guò)所述諧振器的第=諧振支路的傳輸開關(guān)連接第= 諧振支路的諧振電容正端，第=諧振支路的諧振電容負(fù)端通過(guò)傳輸開關(guān)連接運(yùn)算放大器負(fù) 向輸入端，由于運(yùn)放的輸入端認(rèn)為是虛地，所W第=諧振支路的諧振電容存儲(chǔ)T=n時(shí)刻的 輸出信號(hào)Vout(n)。第二諧振支路的諧振電容正負(fù)兩端均斷開，仍然存儲(chǔ)上一個(gè)時(shí)鐘周期T =n-1時(shí)刻的輸出信號(hào)Vout(n-1)。第=諧振支路的諧振電容負(fù)端通過(guò)傳輸開關(guān)與運(yùn)算放 大器輸入端連接，將T=n-2時(shí)刻的輸出信號(hào)Vout(n-2)傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算。
[0062]則在T=n時(shí)亥Ij，輸出端有：Vout(n) = - Vin(n-2) -Vout(n-2);
[0063]在T=n+1 時(shí)亥ij，輸出端有：Vout(n+1) = -Vin(n-1) -Vout(n-1);
[0064]在T=n巧時(shí)刻，輸出端有：Vout(n+2) = -Vin(n)-Vout(n)。 W65] 所述諧振器傳輸函數(shù)在Z域的表達(dá)為：
W66] 低通調(diào)制器中采用積分器作為低通濾波器，積分器的傳輸函數(shù)為
，因此所述諧振器完成由低通調(diào)制器到帶通調(diào)制器的Zi--Z2變換。所 述諧振器無(wú)需額外添加延時(shí)單元，所W適合構(gòu)成前饋結(jié)構(gòu)帶通sigma-delta調(diào)制器。
[0067]在其他發(fā)明中使用的開關(guān)電容諧振器僅采樣兩個(gè)采樣支路，其傳輸函數(shù)為：
.需要額外添加延時(shí)單元，增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度。 W側(cè)一種帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，其電路結(jié)構(gòu)圖如附圖5所示，包括所述第一諧 振器51、所述第二諧振器52、所述第=諧振器53、所述加法器54、所述量化器55、所述反饋 DAC56。
[0069] 所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑，連接所述51的輸入端口，51的輸出端口連接所述 第一諧振路徑；所述第一諧振路徑連接所述52的輸入端口，52的輸出端口連接所述第二諧 振路徑；所述第二諧振路徑連接所述53的輸入端口，53的輸出端口連接所述第=諧振路 徑。
[0070] 所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑連接所述54的第一輸入端口，所述第一諧振路徑 連接54的第二輸入端口，所述第二諧振路徑連接54的第=輸入端口，所述第=諧振路徑連 接54的第四輸入端口。 陽(yáng)071] 所述54的輸出端口所述55的輸入端口。55為單比特量化器，即比較器。55的輸 出為調(diào)制器的整體輸出信號(hào)D0,W及整體輸出信號(hào)的反相DOB。
[0072] 由于所述55為單比特量化器，所W56為單比特DAC，可W用4個(gè)MOS開關(guān)組成56。 56包含561、562兩個(gè)PMOS開關(guān)W及563、564兩個(gè)NMOS開關(guān)。每個(gè)MOS開關(guān)的源端作為輸 入端，柵端作為控制端，漏端作為輸出端。56U562的輸入端連接正相參考電壓源，563、563 的輸入端連接負(fù)相參考電壓源。來(lái)自所述輸出信號(hào)DO的正相輸出路徑連接所述56U563 的控制端口；輸出信號(hào)DOB的負(fù)相輸出路徑連接所述562、564的控制端口；56U563的輸出 端口連接56的負(fù)相反饋路徑，562、564的輸出端口連接56的正相反饋路徑。
[0073] 所述第一諧振器51的電路圖如圖3所示，56的正向反饋路徑連接51的311、312、 313 =個(gè)正相采樣支路的傳輸開關(guān)一的輸入端，56的負(fù)向反饋路徑連接51的321、322、323 =個(gè)負(fù)相采樣支路的傳輸開關(guān)一的輸入端，由此構(gòu)成反饋環(huán)路。
[0074] 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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種開關(guān)電容型帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，其特征在于，包括： 能用于接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的第一諧振器； 能用于接收所述第一諧振器的輸出的第二諧振器； 能用于接收所述第二諧振器的輸出的第Ξ諧振器； 能用于接收來(lái)自所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑、來(lái)自所述第一諧振器的第一諧振路 徑、來(lái)自所述第二諧振器的第二諧振路徑、W及來(lái)自所述第Ξ諧振器的第Ξ諧振路徑的加 法器； 能用接收所述的加法器的輸出的量化器； 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的來(lái)自所述輸入信號(hào)的第一前饋路徑連接第一 前向縮放、來(lái)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(lái)自 所述第二諧振器的第二諧振路徑連接第Ξ前向縮放和第二加權(quán)縮放、來(lái)自所述第Ξ諧振器 的第Ξ諧振路徑均連接第Ξ加權(quán)縮放，來(lái)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； 進(jìn)一步包括位于反饋路徑的能用于接收來(lái)自所述量化器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)，來(lái)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(lái)自所述DAC的輸出的反饋路徑經(jīng) 過(guò)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； 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。=fs/4 ; 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：Hs(z) = 1 ; 所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的噪聲傳輸函數(shù)&仁）為：，其 中Hf(z)為所述sigma-delta調(diào)制器的前向傳輸函數(shù)； 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Υ(ζ)，所述量 化器引入的量化噪聲為Ε(ζ)，所W所述的第一諧振器的輸入信號(hào)RIi(z)為：RIi(z)= Χ(ζ)-Υ(ζ)，因?yàn)棣?ζ)=Hs(z) ·Χ(ζ)+Ηε(ζ)·Ε(ζ)，所WRIi(z)=-He(z)·Ε(ζ)。2. 如權(quán)利要求1所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，其特征在于， 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)； 所述的第一諧振器，由Ξ相不交疊時(shí)鐘控制；包含采樣相位、諧振相位、存儲(chǔ)相位Ξ個(gè) 工作相位； 所述的第一諧振器，諧振頻率位于時(shí)鐘頻率的四分之一。3. 如權(quán)利要求1所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，其特征在于， 所述第一、第二、第Ξ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Ξ正相采樣支路 Ξ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Ξ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Ξ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。4. 一種用于在帶通前饋sigma-delta調(diào)制器中處理信號(hào)的方法，其特征在于，包括： 在第一諧振器處接收反饋信號(hào)和輸入信號(hào)； 在第二諧振器處接收來(lái)自所述第一諧振器的輸出； 在第Ξ諧振器處接收來(lái)自所述第二諧振器的輸出； 在加法器處接收來(lái)自所述第一諧振器的輸出、來(lái)自所述第二諧振器的輸出、來(lái)自所述 第Ξ諧振器的輸出W及所述輸入信號(hào)； 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。5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，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Ξ相不交疊時(shí)鐘控制； 包含采樣相位、諧振相位、存儲(chǔ)相位Ξ個(gè)工作相位； 諧振頻率位于時(shí)鐘頻率的四分之一。6. -種如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的帶通前饋sigma-delta調(diào)制器的應(yīng)用，其特征在 于，所述調(diào)制器被集成到巧螺儀、加速度傳感器中。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶通前饋sigma-delta調(diào)制器，包括三個(gè)級(jí)聯(lián)的開關(guān)電容諧振器模塊、加法器模塊、量化器模塊、反饋DAC模塊。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，中心頻率200KHz，信號(hào)帶寬5KHz的條件下達(dá)到96.8dB信號(hào)失真比和106dB的動(dòng)態(tài)范圍，滿足高精度的陀螺儀、加速度傳感器等微機(jī)械傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
【IPC分類】H03C1/52
【公開號(hào)】CN105406822
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510867512
【發(fā)明人】曹天霖, 韓雁, 劉義冬, 張世峰, 陳雅雅
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年12月1日