[发明专利]一种四阶单环局部负反馈Sigma-Delta调制器

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS模数转换器设计技术领域，特别涉及一种四阶单环局部负反馈 Sigma-Delta调制器。

背景技术

近年来随着高精度模数转换器(ADC)需求的不断增加，以及传统恩奎斯特模数转 换器(Nyquist ADC)难以实现高分辨率(16bit以上)的模数转换，使得Sigma-Delta ADC成为模数转换器领域一种具有很大吸引力的设计技术。传统Nyquist ADC的类型 主要分为逐次逼近型、积分型、快闪型及流水线型等等，这些不同类型的Nyquist ADC 由于制造工艺上的限制，使得Nyquist ADC无法实现高分辨率的模数转换；另外，在 Nyquist ADC中，由于抗混叠滤波器的过渡带很窄，使得滤波器电路的实现变得十分 复杂。随着大规模集成电路设计要求小型化、低电源电压，使得设计具有高分辨率模 数转换器的模拟集成电路的难度加大。

为了克服上述问题，过采样Sigma-Delta调制技术被运用到模数转换器中， Sigma-Delta调制器通过过采样和噪声整形技术将信号频带内的量化噪声调制到高频 段，并结合数字滤波技术来实现高精度。图1示出了Sigma-Delta ADC的原理结构框 图，其中抗混叠滤波器101为片外配置，用于过滤带外信号；在经过抗混叠滤波器101 过滤后，模拟输入信号只包含-fs/2和fs/2(fs为采样频率)之间的频率成分，由于 Sigma-Delta调制器102内的采样频率远高于信号带宽，所以相对于Nyquist ADC而言， Sigma-Delta ADC对前置抗混叠滤波器101的要求不高；Sigma-Delta调制器102由积 分器、量化器和模数转换器ADC构成，从结构上看是若干个调制器级联，可以根据 不同的应用环境，采用低阶级联结构或单环高阶级联结构；降采样数字低通滤波器103 的作用是：1)过滤掉Sigma-Delta调制器产生的高频噪声信号；2)将采样频率降至 Nyquist频率输出，进而完成模数转换功能。在实际应用中，模拟输入信号经过抗混叠 滤波器101后，以高于Nyquist频率的速率fs进行采样，采样结果经过Sigma-Delta 调制器后，产生一个粗糙的低精度量化结果，通过数字低通滤波器103过滤基带之外 的噪声，并将采样频率降至Nyquist频率；Sigma-Delta调制器102的环路反馈结构， 可以使量化噪声信号的频谱分布发生变化，即低频段的噪声信号减小，高频段的噪声 信号增大；由于在带宽内信号的传输函数为1，因此即使是在有时钟周期延迟的情况 下，也不会改变信号在带宽内的频谱；数字低通滤波器103可以防止降采样时发生信 号混迭现象，并且还可以提高信噪比，进而提高ADC转换器的精度。由此可见， Sigma-DeltaADC设计的关键技术是模拟调制器和数字低通滤波器。

目前，国外的Sigma-Delta ADC可以通过过采样和噪声整形技术实现传统Nyquist ADC转换器达不到的精度，最高精度可达24bit。这两种技术的运用使得实现高分辨 率的ADC成为可能；同时，采用多bit的量化器可以在较低的过采样频率下实现较大 的信噪比，进而减轻运算放大器的设计压力。Sigma-Delta调制器分为单环结构和级联 结构两种。如图2所示，单环结构的Sigma-Delta调制器由一个A/D转换器、一个D/A 转换器和一系列串连的积分器组成，一阶和二阶的Sigma-Delta调制器都属于单环结 构；如图3所示，级联结构的Sigma-Delta调制器由一系列的低阶单环调制器级联而成。

但是，单环结构和级联结构Sigma-Delta调制器都存在着缺点：级联结构 Sigma-Delta调制器由于是由多个一阶或二阶的调制器级联而成，因此对于每个调制器 的输出都需要增加数字噪声抵消逻辑，这样一方面增加了电路开销和设计难度，另一 方面模拟与数字增益系数的失配会导致对非理想因素噪声(开关噪声、量化噪声等等) 更加敏感，信噪比下降较快；单环结构Sigma-Delta调制器的稳定性较差，对于级间增 益系数需要进行详细地设计，才能保证系统稳定与信噪比要求，增加了设计的难度。 另外，随着CMOS工艺的不断进步，电路越来越复杂，如何加快验证产品以面对快速 的市场需求，是电子工程师面临的最大挑战，尤其是在混合信号电路设计中，传统的 设计方法都是在晶体管级和逻辑门级进行，仿真和验证耗费的时间巨大。

发明内容