CN101345528A - 一种模数转换方法及其调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模数转换方法及其调制器，基于Delta－Sigma转换技术，把模拟域的信号转移到数字域来进行量化工作，其特征在于：包括有相互串接的积分单元、量化器和移位寄存器，所述积分单元包括由至少为二阶的积分器串联相接而成，在积分单元的后端连接量化器；而输入信号及每一阶积分器的输出均前馈到量化器的输入端，量化器的输出再通过环路反馈到积分单元前的输入端。本发明的模数转换方法及调制器应用后，通过输入信号的前馈，降低了内部信号的摆动范围，也满足了模拟运放的输出在低电源情况下的要求，解决了深亚微米CMOS工艺中，在低电压环境下实现高精度、低功耗的模数转换问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种CMOS集成电路设计，尤其涉及一种模数转换方法以及相应的调制器。
背景技术
现今的电路设计及应用中，模数转换一直是电路的主要模块之一。由于单片集成的趋势以及控制运算主要在数字域进行，因此数字电路和模拟电路大多数要求做到同一块芯片上，这就对模拟部分的设计提出了困难。
数字电路的大规模应用使得当今的CMOS工艺向深亚微米发展，这样有效的降低了数字电路的功耗。但伴随电源电压的降低和规格尺寸的缩小，模拟电路模块的设计也变得越来越困难。在医疗及消费电子这些领域，高精度低功耗模数转换器已经成为了芯片中的关键技术。在这个背景下，一种适应深亚微米数字工艺的Delta-Sigma模拟调制器的结构便应运而生。
Delta-Sigma技术是近年在深亚微米工艺下逐渐占据主导的一种模数转换方式。它通过把模拟域的量化工作转移到数字域来进行，从而减少了芯片的模拟部分，使数字工艺的优势得到体现。Delta-Sigma转换器由差分放大器、积分器、量化器及1位寄存器组成，输入信号减去来自一位寄存器的信号将结果作为积分器的输入，当器进入稳定工作状态时，积分器的输出信号是全部误差电压之和，同时积分器可看作是低通滤波器，对噪声有-6dB的抑制能力。积分器的输出用一位ADC来转换，而后量化器将输出数字1和0的位流，并且一位寄存器将量化器的输出转换为数字波形，回馈给差分放大器。然而，这样的模数转换器将无法适应日渐微型化及低电压、低功耗的消费趋势，尤其在模拟模块的设计方面，其正常驱动的能力将受到极大的限制。此外，信号流在该模数转换器的信道内常常易夹杂量化噪声，影响信号的转换传输性能。因此，寻求一种基于Delta-Sigma技术的模数转换方法及其调试器，来适应CMOS工艺深亚微米发展的要求，是为当前业界需要迫切解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的存在的异常缺陷，本发明的目的，在于提供一种模数转换方法及其调制器，解决深亚微米CMOS工艺中，在低电压环境下实现高精度、低功耗的模数转换问题。
为达成上述目的，本发明提出的技术方法为：
一种模数转换方法，基于Delta-Sigma转换技术，把模拟域的信号通过积分、量化转移到数字域来处理，其特征在于：将输入信号及每一阶进行积分的输出信号均前馈到量化单元，连同积分输出的信号一并进行量化处理。
进一步地，沿用上述转换方法的一种模数转换调制器，其特征在于：其包括积分单元、量化器和移位寄存器，所述积分单元至少为二阶的积分器串联相接而成，在积分单元的后端连接量化器，且每一阶积分器的输出端均通过连线接至量化器的输入端，量化器的输出再通过环路反馈到积分单元前的输入端。
本发明一种模数转换方法及其调制器，于实际应用中具有的有益效果为：通过输入信号的前馈，从而使调制器环路只需要处理量化噪声，降低了内部信号的摆动范围。这样模拟运放的输出，即使在低电源电压情况下也能够满足环路的要求。而且，这种结构增大了输入过载电压，从而增大了输入信号动态范围。
附图说明
图1是本发明优选实施例三阶前馈调制器的系统框图；
图2是本发明实施例的电路框图；
图3是本发明实施例中运算放大器的电路框图；
图4是本发明实施例中量化器的电路框图；
图5是本发明实施例的调制器仿真结果曲线图；
图6是本发明实施例的后仿真结果曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明一优选实施例，作详细说明如下：
Delta-Sigma转换技术是当前广泛应用于CMOS工艺中电路设计的一种将模拟域的量化工作转换到数字域来进行的一种有效手段，减少了芯片的模拟部分，使数字工艺的优势得到体现。整体来说，Delta-Sigma转换技术包含了基于超采样手段的模拟调制器和后端数字滤波器两部分，而本发明针对Delta-Sigma传统反馈式的模数转换方法及其调制器进行优化，其独创改进在于：采用了至少为二阶的积分器输出信号前馈至量化器的方式，来适应低电源及低功耗的要求。
如图1和图2所示，是本发明一带有三阶积分器的优选实施例的系统框图及电路框图。由该2幅附图可以看到，该模数调制器包括：相互串接的差分放大器1、积分单元、量化器3和一位的移位寄存器4，其中该积分单元为三阶相互串联的积分器，待调制信号U(n)经过差分放大器1放大后接入第一阶积分器21的输入端，并将未经差分放大的信号U(n)前馈到量化器；第一阶积分器21的输出端与第二阶积分器22的输入端相连，第二阶积分器22的输出端与第三阶积分器23的输入端相连，并将积分器21和积分器22的输出信号经电容网络25、26加权后前接至量化器3，而积分器23的输出信号也经由电容网络24加权后接至量化器3中，量化器3后接一位的移位寄存器4，并且移位寄存器4的一路输出端连接至至积分单元前的差分放大器1输入端。
如图2所示的本实施例的电路框图结构采用了全差分设计，并根据系统函数仿真的需要确定了工作时序；三个积分器由开关电容电路结构来实现；同时量化器后串接的移位寄存器也符合电路时序的需求。
如图3所示，本实施例的运算放大器采用了传统的折叠式共源共栅结构，来实现足够的增益和带宽。
如图4所示，本实施例采用了传统锁存器结构来实现一位的移位量化功能。
从信号流的传输上来看，待调制信号U(n)进入调制系统之前已直接地被输入量化器，而同时该待调制信号U(n)经由差分放大器1进行放大处理后被输入第一阶积分器进行模拟调制；输出信号分两路进一步调制，其一路经滤波后直接输入量化器，而另一路则被输入第二阶积分器再次进行模拟调制；由第二阶积分器调制完成的输出信号继续分两路进行深度调制，其一路同样经过滤波后直接输入量化器，另一路则被输入第三阶积分器进行模拟调制，其结果经滤波后结合上述多路前馈信号一并，输入量化器进行比较、量化并比例相加；最后，量化器将调制信号输出并同时通过环路反馈到差分放大器1的输入端。
如图5和图6分别所示的系统仿真及后仿真结果示意图，从理论上及试验上可见：本发明的模数转换方法及其调制器在系统仿真中，能够实现105dB，100kHz的转换要求；其后仿真结果显示该调制器确实能达到103dB，100kHz的要求，且功耗在10mw以内。试验证明：通过输入信号的前馈，从而使调制器环路只需要处理量化噪声，降低了内部信号的摆动范围。这样模拟运放的输出即使在低电源电压情况下也能够满足环路的要求。同时，这种结构增大了输入过载电压，从而增大了输入信号动态范围。
以上是本发明的具体范例，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种模数转换方法，基于Delta-Sigma转换技术，把模拟域的信号通过积分、量化转移到数字域来处理，其特征在于：将输入信号及每一阶进行积分的输出信号均前馈到量化单元，连同积分输出的信号一并进行量化处理。
2.根据权利要求1所述的一种模数转换方法，其特征在于：所述模数转换的积分运算采用的是超采样方式。
3.一种模数转换调制器，沿用权利要求1所述的转换方法，其特征在于：该模数转换调制器包含积分单元、量化器和移位寄存器，所述积分单元至少为二阶的积分器串联相接而成，在积分单元的后端连接量化器，且每一阶积分器的输入端均通过连线接至量化器的输入端，量化器的输出再通过环路反馈到积分单元前的输入端。
4.根据权利要求3所述的一种模数转换调制器，其特征在于：所述积分器单元为三阶，由三个积分器串接而成。
5.根据权利要求1所述的一种模数转换调制器，其特征在于：所述移位寄存器为一位移位寄存器。
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