[发明专利]连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子工程中的半导体工艺和电路设计技术，特别是连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法。

背景技术

?∑ADC具有很多优良特性，如抗混叠滤波，内在线性，低功耗和易实现高精度转换，所以在混合信号系统特别是通讯系统中得到了广泛的应用。复数正交模数转换器（Complex Quadrature ?∑ADC ）在无线中频（IF）系统中是一种非常有效的应用。原因在于：（1）一般低通?∑ADC（Low-pass ?∑ADC），需要取样时钟是中频信号（IF）的很多倍来使得过取样系数(Over-sampling Ratio)高从而获得或模数转换的高精度，对于中频频率（IF）比较高的系统导致取样时钟频率也很高；而复数正交模数转换器（Complex Quadrature ?∑ADC ）的过取样系数只是在信号带宽基础上来计算的所以和低通比较来说取样频率相对较低，这样大大降低了对模拟系统的工艺要求；（2）复数正交带通模数转换器（Complex Quadrature ?∑ADC ）的频响曲线正负两边不需要对称，而采用I通道和Q通道耦合的方式可以使得其阶数（order)只是一般带通带通模数转换器（Bandpass ?∑ADC ）的一半，所以在功耗面积方面都有很大减少。图1是一个典型的复数正交带通模数转换器（Quadrature Bandpass ?∑ADC ）在无线中频（IF）系统的应用。

虽然连续时间复数正交模数转换器有很多优点，但它的设计是一个非常复杂的过程。通常的设计方式是利用Matlab来计算并确定?∑ADC的系数，然后用电路元件包括运算放大器（OPAMP），电阻和电容等来实现，使得在工艺基础上的电路实现的滤波器系数等参数和Matlab的参数尽量接近。

由于半导体工艺的非理想特性及设计中不可避免的误差（如运算放大器（OPAMP）的有限增益及带宽，电阻，电容元件值的偏离），这些因素都很难在Matlab中得到精确的模拟。比如说，高阶积分器中的电容，由于积分器的实现，或正向输送，或局部反馈， 或I/Q耦合的原因，和多个运算放大器相连，这样会对各个相连的运放造成不同程度的负载。这在Matlab中很难模拟，但是这是很可能造成局部震荡的起因；另外，高阶连续时间复数正交模数转换器由于其高阶造成的极高信号路径增益，使得最终系统的性能（如信噪比，3dB通道带宽，传输线性特性）对这些半导体工艺造成的系数偏差非常敏感，很多系统流片后测试时系统饱和或震荡而根本不能工作，对于高阶?∑ADC的设计来说更是一个很常见而且严重的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明公开了一种连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法,包括如下步骤：

a.  首先利用Matlab进行分立低通Sigma-Delta 模数转换器的系数设计；

b.  通过脉冲冲击响应匹配将低通Sigma-Delta 模数转换器的系数转换为连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器的系数；

c.  将该连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器的系数用电路来实现；在此基础上利用两个连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器之间的电阻耦合来转换成复数正交Sigma-Delta 模数转换器；

d.  固定所有系数之间的比例关系，设定实现所有系数的电路元件值为参数，然后利用SpectreMDL进行大批量的参数化电路模拟，挑选出最优化的系数；

e.  按优化的电路实现版图，此后进行版图提取，重新选择关键系数的电路元件为参数进行SpectreMDL模拟，并对元件值进行微调，以获得最后阶段版图后模拟仿真的优化值；

f.  实施流片，设计结束。

优先地，步骤b还包括根据低通Sigma-Delta 模数转换器脉冲冲击响应稳定所需时间，指定脉冲冲击响应的时间间隔和点数，来进行分立和连续时间之间的匹配，以获得连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器的系数。

优先地，所述步骤c还包括利用简单的运放和电阻/电容组合来实现积分器，并和加法器，乘法器，以及其余的比较器，数模转换器一起来实现连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器；然后利用两个连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器之间的电阻耦合来转换成复数正交Sigma-Delta 模数转换器。