一種模數轉換方法及其調製器的製作方法

2023-06-14 11:16:21

專利名稱：一種模數轉換方法及其調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種CMOS集成電路設計，尤其涉及一種模數轉換方法以及 相應的調製器。
背景技術：
現今的電路設計及應用中，模數轉換一直是電路的主要模塊之一。由於 單片集成的趨勢以及控制運算主要在數字域進行，因此數字電路和模擬電路 大多數要求做到同一塊晶片上，這就對模擬部分的設計提出了困難。
數字電路的大規模應用使得當今的CMOS工藝向深亞微米發展，這樣有 效的降低了數字電路的功耗。但伴隨電源電壓的降低和規格尺寸的縮小，模 擬電路模塊的設計也變得越來越困難。在醫療及消費電子這些領域，高精度 低功耗模數轉換器己經成為了晶片中的關鍵技術。在這個背景下， 一種適應 深亞微米數字工藝的Ddta-Sigma模擬調製器的結構便應運而生。
Delta-Sigma技術是近年在深亞微米工藝下逐漸佔據主導的一種模數轉換 方式。它通過把模擬域的量化工作轉移到數字域來進行，從而減少了晶片的 模擬部分，使數字工藝的優勢得到體現。Ddta-Sigma轉換器由差分放大器、 積分器、量化器及l位寄存器組成，輸入信號減去來自一位寄存器的信號將 結果作為積分器的輸入，當器進入穩定工作狀態時，積分器的輸出信號是全 部誤差電壓之和，同時積分器可看作是低通濾波器，對噪聲有-6dB的抑制能 力。積分器的輸出用一位ADC來轉換，而後量化器將輸出數字1和0的位流，並且一位寄存器將量化器的輸出轉換為數字波形，回饋給差分放大器。 然而，這樣的模數轉換器將無法適應日漸微型化及低電壓、低功耗的消費趨勢，尤其在模擬模塊的設計方面，其正常驅動的能力將受到極大的限制。此外，信號流在該模數轉換器的信道內常常易夾雜量化噪聲，影響信號的轉換傳輸性能。因此，尋求一種基於Delta-Sigma技術的模數轉換方法及其調試 器，來適應CMOS工藝深亞微米發展的要求，是為當前業界需要迫切解決的問題。

發明內容
針對上述現有技術的存在的異常缺陷，本發明的目的，在於提供一種模 數轉換方法及其調製器，解決深亞微米CMOS工藝中，在低電壓環境下實現 高精度、低功耗的模數轉換問題。
為達成上述目的，本發明提出的技術方法為
一種模數轉換方法，基於Delta-Sigma轉換技術，把模擬域的信號通過 積分、量化轉移到數字域來處理，其特徵在於將輸入信號及每一階進行積 分的輸出信號均前饋到量化單元，連同積分輸出的信號一併進行量化處理。
進一步地，沿用上述轉換方法的一種模數轉換調製器，其特徵在於其包括積分單元、量化器和移位寄存器，所述積分單元至少為二階的積分器串聯相接而成，在積分單元的後端連接量化器，且每一階積分器的輸出端均通過連線接至量化器的輸入端，量化器的輸出再通過環路反饋到積分單元前的輸入端。
本發明一種模數轉換方法及其調製器，於實際應用中具有的有益效果為通過輸入信號的前饋，從而使調製器環路只需要處理量化噪聲，降低了內部信號的擺動範圍。這樣模擬運放的輸出，即使在低電源電壓情況下也能夠滿足環路的要求。而且，這種結構增大了輸入過載電壓，從而增大了輸入信號動態範圍。


圖1是本發明優選實施例三階前饋調製器的系統框圖2是本發明實施例的電路框圖3是本發明實施例中運算放大器的電路框圖4是本發明實施例中量化器的電路框圖5是本發明實施例的調製器仿真結果曲線圖6是本發明實施例的後仿真結果曲線圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易理解，下面特結合本發明一優選實施例，作詳細說明如下
Ddta-Sigma轉換技術是當前廣泛應用於CMOS工藝中電路設計的一種將模擬域的量化工作轉換到數字域來進行的一種有效手段，減少了晶片的模擬部分，使數字工藝的優勢得到體現。整體來說，Delta-Sigma轉換技術包含了基於超採樣手段的模擬調製器和後端數字濾波器兩部分，而本發明針對 Delta-Sigma傳統反饋式的模數轉換方法及其調製器進行優化，其獨創改進在於採用了至少為二階的積分器輸出信號前饋至量化器的方式，來適應低電源及低功耗的要求。
如圖1和圖2所示，是本發明一帶有三階積分器的優選實施例的系統框圖及電路框圖。由該2幅附圖可以看到，該模數調製器包括相互串接的差分放大器1、積分單元、量化器3和一位的移位寄存器4，其中該積分單元 為三階相互串聯的積分器，待調製信號U(n)經過差分放大器1放大後接入第 一階積分器21的輸入端，並將未經差分放大的信號U^前饋到量化器；第 一階積分器21的輸出端與第二階積分器22的輸入端相連，第二階積分器22 的輸出端與第三階積分器23的輸入端相連，並將積分器21和積分器22的 輸出信號經電容網絡25、 26加權後前接至量化器3，而積分器23的輸出信 號也經由電容網絡24加權後接至量化器3中，量化器3後接一位的移位寄 存器4，並且移位寄存器4的一路輸出端連接至至積分單元前的差分放大器 1輸入端。
如圖2所示的本實施例的電路框圖結構採用了全差分設計，並根據系統 函數仿真的需要確定了工作時序；三個積分器由開關電容電路結構來實現； 同時量化器後串接的移位寄存器也符合電路時序的需求。
如圖3所示，本實施例的運算放大器採用了傳統的摺疊式共源共柵結 構，來實現足夠的增益和帶寬。
如圖4所示，本實施例採用了傳統鎖存器結構來實現一位的移位量化功能。
從信號流的傳輸上來看，待調製信號U(n)進入調製系統之前已直接地被 輸入量化器，而同時該待調製信號U(n)經由差分放大器1進行放大處理後被 輸入第一階積分器進行模擬調製；輸出信號分兩路進一步調製，其一路經濾 波後直接輸入量化器，而另一路則被輸入第二階積分器再次進行模擬調製； 由第二階積分器調製完成的輸出信號繼續分兩路進行深度調製，其一路同樣 經過濾波後直接輸入量化器，另一路則被輸入第三階積分器進行模擬調製，其結果經濾波後結合上述多路前饋信號一併，輸入量化器進行比較、量化並比例相加；最後，量化器將調製信號輸出並同時通過環路反饋到差分放大器1的輸入端。
如圖5和圖6分別所示的系統仿真及後仿真結果示意圖，從理論上及試驗上可見本發明的模數轉換方法及其調製器在系統仿真中，能夠實現105dB，100kHz的轉換要求；其後仿真結果顯示該調製器確實能達到103dB，100kHz的要求，且功耗在10mw以內。試驗證明通過輸入信號的前饋，從而使調製器環路只需要處理量化噪聲，降低了內部信號的擺動範圍。這樣模擬運放的輸出即使在低電源電壓情況下也能夠滿足環路的要求。同時，這種結構增大了輸入過載電壓，從而增大了輸入信號動態範圍。
以上是本發明的具體範例，對本案保護範圍不構成任何限制，凡採用等同變換或者等效替換而形成的技術方法，均落在本發明權利保護範圍之內。
權利要求
1.一種模數轉換方法，基於Delta-Sigma轉換技術，把模擬域的信號通過積分、量化轉移到數字域來處理，其特徵在於將輸入信號及每一階進行積分的輸出信號均前饋到量化單元，連同積分輸出的信號一併進行量化處理。
2. 根據權利要求1所述的一種模數轉換方法，其特徵在於所述模數轉換的積分運算採用的是超採樣方式。
3. —種模數轉換調製器，沿用權利要求1所述的轉換方法，其特徵在 於該模數轉換調製器包含積分單元、量化器和移位寄存器，所述積分單元 至少為二階的積分器串聯相接而成，在積分單元的後端連接量化器，且每一 階積分器的輸入端均通過連線接至量化器的輸入端，量化器的輸出再通過環 路反饋到積分單元前的輸入端。
4. 根據權利要求3所述的一種模數轉換調製器，其特徵在於所述積 分器單元為三階，由三個積分器串接而成。
5. 根據權利要求1所述的一種模數轉換調製器，其特徵在於所述移 位寄存器為一位移位寄存器。
全文摘要
本發明公開了一種模數轉換方法及其調製器，基於Delta-Sigma轉換技術，把模擬域的信號轉移到數字域來進行量化工作，其特徵在於包括有相互串接的積分單元、量化器和移位寄存器，所述積分單元包括由至少為二階的積分器串聯相接而成，在積分單元的後端連接量化器；而輸入信號及每一階積分器的輸出均前饋到量化器的輸入端，量化器的輸出再通過環路反饋到積分單元前的輸入端。本發明的模數轉換方法及調製器應用後，通過輸入信號的前饋，降低了內部信號的擺動範圍，也滿足了模擬運放的輸出在低電源情況下的要求，解決了深亞微米CMOS工藝中，在低電壓環境下實現高精度、低功耗的模數轉換問題。
文檔編號H03M3/02GK101345528SQ200810020938
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者張耀輝, 朱從義 申請人:蘇州納米技術與納米仿生研究所