CN103023502A - 一种消除斩波纹波的方法及实现该方法的模数转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种消除斩波纹波的方法及实现该方法的模数转换电路。该方法对一个斩波周期内的信号进行间隔为斩波周期一半时间的两次采样，并将两次采样值做积分、求和，从而保留了有用信号，消除了斩波残留的纹波信号。所述信号放大和模数转换电路包括斩波放大器和级联在其后的sigma-delta模数转换器。采用内嵌于sigma-delta模数转换器的开关结构，利用该模数转换器中第一级积分器的模拟加法功能对斩波放大器输出信号中的残余纹波进行一阶整形（电压求和），从而降低纹波幅度，削弱其对于模数转换器转换精度的影响。该电路不需要斩波放大器和模数转换器之间的模拟低通滤波器，节约了功耗、面积，简化了电路的设计。

Description

一种消除斩波纹波的方法及实现该方法的模数转换电路

技术领域

本发明属于电路尤其是集成电路设计领域，具体涉及一种消除斩波纹波的方法及实现该方法的模数转换电路。

背景技术

高性能仪表放大器广泛应用于各种微伏级信号测量电路中。为了准确放大微弱信号，仪表放大器需要有微伏级的失调、高共模抑制比、高电源抑制比、高输入阻抗以及良好噪声性能。

当今，模拟电路大多使用CMOS工艺实现，相较于双极晶体管，MOS管的跨导效率低、匹配、噪声性能差，限制了仪表放大器的性能。通过使用斩波技术和自归零技术可以改善CMOS放大器的噪声性能。

由于自归零技术会将宽带噪声引入低频，因而斩波技术通常是高精度电路的最佳选择。但是，在如图1所示的典型信号测量电路中，斩波放大器会在其输出端残留较大幅度的纹波，这往往需要截止频率很低的高阶低通滤波器将其滤除，然后再将滤波后的信号送入模数转换器中。该滤波器对模数转换器而言起到抗混叠的作用。满足这种要求的滤波器实现起来十分困难和复杂。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种消除斩波放大器残留的高频纹波的新方法，并将该方法用于一种具有数字输出的、不需要低通滤波器的新型测量电路。

为此，本发明提出的消除斩波纹波的方法包括如下步骤:在一个斩波周期内，对斩波电路的输出信号以两倍的斩波频率进行两次采样，两次采样的值积分后相加，以保留有用信号，消除纹波。

优选地，所述采样、积分、相加的功能用积分器实现，并在有用信号和经过采样、积分、相加后的信号的重合相位对积分器输出进行量化。

优选地，所述采样、积分、相加的功能用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现。

本发明实现该方法的模数转换电路包括：采样电路、积分电路和时域求和电路，所述采样电路在一个斩波周期内，对斩波电路的输出信号以两倍的斩波频率进行两次采样，所述积分电路对两次采样的值积分，所述时域求和电路对积分后的信号相加后输出。

优选地，所述采样电路、积分电路、时域求和电路用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现：sigma-delta ADC的输入端连接前级斩波电路的输出，从而斩波电路的输出信号直接输入ADC中的第一级开关电容积分器，该积分器对斩波电路的输出信号采样、积分并求和，该积分器的输出再送入ADC后级电路。

优选地，所述的sigma-delta ADC中使用开关电容积分器，积分器的个数不少于1级,其第一级开关电容积分器工作在两倍斩波频率，如有后级开关电容积分器，则后级开关电容积分器工作在斩波频率。

本发明对一个斩波周期内的信号进行间隔为斩波周期一半时间的两次采样，并将两次采样值积分求和，从而保留了有用信号，消除了斩波残留的纹波信号。新型的信号放大和模数转换电路包括斩波放大器和级联在其后的sigma-delta模数转换器。采用内嵌于sigma-delta模数转换器的开关结构，利用该模数转换器中第一级积分器的模拟加法功能对斩波放大器输出信号中的残余纹波进行一阶整形（电压求和），从而降低纹波幅度，削弱其对于模数转换器转换精度的影响。该电路不需要斩波放大器和模数转换器之间的模拟低通滤波器，节约了功耗、面积，简化了电路的设计。因此，本发明具有如下有益效果:其一，不需要使用低通滤波器，从而降低了整体电路的功耗和面积。其二，利用sigma-delta模数转换器自身所具有的第一级积分器实现对斩波放大器输出信号的采样、积分和求和，不需要额外的电路实现以上功能。该积分器同时完成了模数转换器对其输入信号的采样功能，不影响模数转换器的工作。既不增加电路设计的复杂度，又不额外消耗面积和功耗。使用该方法实现的该种结构的测量电路功耗低、面积小，适用于生物医疗电子系统和手持监测设备。另外，在实现高精度或者中等精度的模数信号转换时，本发明提供的实现方法和电路在面积、功耗和实现难度等方面具有较好的折中，有广泛的应用背景。

附图说明

图1是传统结构的信号放大及模数转换电路；

图2是使用本发明设计方法的信号测量电路；

图3是消除斩波残留纹波的原理说明

图4是复用第一级积分器的原理图；

图5是斩波频率、第一级积分器和第二级积分器工作时序；

图6是使用本发明方法的新型测量电路的仿真验证结果。

具体实施方式

下面结合附图，对通过按此设计方案实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图2是采用本发明提出的消除斩波纹波方法的测量电路的整体结构图，斩波放大器10的输出和二阶sigma-delta模数转换器20的输入直接相连。其中放大器10使用斩波技术降低直流失调和低频噪声；二阶sigma-delta模数转换器20的第一级积分器模块21的工作频率为斩波频率的二倍，第二级积分器22工作频率与斩波频率相同。

下面对本实施例对斩波放大器输出的带有高频纹波的信号进行一阶整形的原理说明如下。斩波放大器的输出信号既包括低频的有用信号，也包括残余的高频斩波纹波。在放大器自身的滤波作用下，通常残留纹波近似为三角波。由于斩波频率远高于有用信号频率，因此在一个斩波周期之内，可以近似认为有用信号的幅度是不变的。以图3为例（图3中，t代表时间轴,最上面两条曲线中，虚线代表理想的输入，实线代表带纹波的输入；中间一条曲线表示开关电容积分器工作频率；最下面两条曲线(最邻时间轴的曲线)中，虚线代表理想的输出，实线代表带纹波的输出），在斩波周期内有用信号幅度不变，如虚线所示，满足下面公式（1）。残留的频率为f_chopper的高频纹波则叠加在有用信号上，为近似对称的三角波，如实线所示，满足下面公式（2）。使用频率为2f_chopper的时钟信号对该输出信号进行采样，则第一次采样的到的信号如下面公式（3）所示，第二次采样得到的信号如下面公式（4）所示。由于三角波在有用信号上下变化，而且是近似对称的，因此前后两次采样信号求和后得到的信号幅度等于有用信号的幅度的两倍，如下面公式（5）所示。基于这一原理，高频纹波经过两次采样和求和后被消除，只留下了有用信号。

在公式（1）-（5）中，V_signal表示有用的信号，V_residual表示残留纹波，V_out表示采样得到的输出信号，V_out,sum表示两次采样信号求和后的输出信号，T_chopper是斩波周期，f_chopper是斩波频率。

V_signal(t)=常数，t∈[0,T_chopper]， $T_{\mathrm{chopper}}=\frac{1}{f_{\mathrm{chopper}}}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{residual}}\left(t\right)\≈-V_{\mathrm{residual}}(t+\frac{T_{\mathrm{chopper}}}{2})---\left(2\right)$

V_out(t₁)=V_signal(t₁)+V_residual(t₁)(3)

$V_{\mathrm{out}}\left(t_2\right)=V_{\mathrm{signal}}\left(t_2\right)+V_{\mathrm{residual}}\left(t_2\right)=V_{\mathrm{signal}}(t_1+\frac{T_{\mathrm{chopper}}}{2})+V_{\mathrm{residual}}(t_1+\frac{T_{\mathrm{chopper}}}{2})---\left(4\right)$

根据公式（1）， $V_{\mathrm{signal}}\left(t_2\right)=V_{\mathrm{signal}}(t_1+\frac{T_{\mathrm{chopper}}}{2})+V_{\mathrm{signal}}\left(t_1\right)$

根据公式（2）， $V_{\mathrm{residual}}\left(t_2\right)\≈V_{\mathrm{residual}}(t_1+\frac{T_{\mathrm{chopper}}}{2})=-V_{\mathrm{residual}}\left(t_1\right)$

V_out,sum(t₁)=V_out(t₁)+V_out(t₂)≈2V_signal(t₁)=2V_signal(t₂)(5)

依据以上原理，对两次采样信号进行积分，然后再求和同样实现了保留有用信号，消除纹波的功能。这一采样、积分、时域求和的功能可以用积分器实现。在积分器输入端，以图3为例，可以看到，有用信号和经过采样、积分、求和后的信号每隔一个斩波周期就出现重合，如果在重合相位对积分器输出进行量化，则模数转换器的数字输出将不会受到斩波放大器纹波的影响。

对以上信号的处理,本实施例是利用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现。积分器的一种实现方法如图4所示（注：图4中图中所有元件都是sigma-delta模数转换器中ADC的一部分，因此本实施例完全是利用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现而没有任何外加电路）。这是一个开关电容积分器，其中Op-amp是运算放大器，C1是输入电容，C2是反馈电容，4个开关由MOS管实现，时钟控制MOS管的通断，实现对输入信号的采样。4个开关的控制时钟分别为φ1和φ2。φ1和φ2是两相时钟，其开关频率为2fchopper，其时钟发生电路图中没有画出。4个开关的频率都是2fchopper，两个时钟的相位相差180°，通过外部的时钟发生电路控制（时钟信号产生是公知的,图中略）。它实现对输入信号Vin在一个斩波周期内、间隔T_chopper/2（其中T_chopper=1/f_chopper）的两次采样(采样信号从Vin输入)及对采样值的积分。利用积分器的时域求和特性，实现对一个斩波周期内在有用信号上下波动的残余纹波正负相加，使积分器在一个斩波周期末的输出值与失调纹波无关，从而消除残留纹波对模数转换器转换精度的影响。

如图4示的开关电容积分器其工作频率为二倍的斩波频率。在一个斩波周期内，第一级开关电容积分器通过两相时钟φ₁和φ₂控制MOS管开关，完成两次采样及对采样值的积分（这两次采样的输入端为Vin,采样时长只要远小于被采样信号的持续时间即可。公知的，sigma-deltaADC的采样频率远高于被采样信号的频率，也就是说，其采样时长远小于被采样信号保持近似不变的时长），获得斩波放大器的输出信号v_out（包括低频的有用信号和斩波频率的残留纹波信号）（输出信号输出到Vout）。其中有用的信号两次采样的值不变，而纹波（此实施例中近似为三角波）在有用信号上下波动，且两次采样的值恰好在有用信号值的上、下对称分布。再利用该积分器的时域求和功能，可以实现对两次采样信号的求和，从而保留了有用信号，消除了纹波。

Sigma-delta模数转换器的输入信号与第一级积分器、第二级积分器工作时序如图5所示（图5中，t代表时间轴，最上面一条曲线代表斩波频率信号，上面第二条曲线代表第一级积分器输入，上面第三条曲线代表第一级积分器工作频率信号，最下面一条曲线（最邻时间轴的曲线）代表第二级积分器工作频率）。第二级积分器工作频率与斩波频率相同，这样可节省功耗。

采用该方法构造新型测量电路，其中的模数转换电路采用图2所示的二阶sigma-delta结构。在前级放大器带有斩波纹波输出的条件下，该模数转换器信杂比（Signal to Noise and Distortion Ratio -SNDR）的仿真结果（第二级Sigma-Delta调制器的功率谱）如图6所示，其中横轴是频率Frequency，单位是Hz，纵轴是模数转换器输出信号及噪声的功率谱密度PSD,单位是dB，其SNDR为69.4dB，相当于11bit ADC的精度，即该电路消除了纹波的影响，实现了ADC的功能，工作正确。

由上述技术方案可知，本发明所述的具有数字输出的信号测量电路不需要低通滤波器，具有面积小、低功耗的特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种消除斩波纹波的方法，其特征在于包括如下步骤：在一个斩波周期内，对斩波电路的输出信号以两倍的斩波频率进行两次采样，两次采样的值积分后相加，以保留有用信号，消除纹波。

2.如权利要求1所述的消除斩波纹波的方法，其特征在于，所述采样、积分、相加的功能用积分器实现，并在有用信号和经过采样、积分、相加后的信号的重合相位对积分器输出进行量化。

3.如权利要求2所述的消除斩波纹波的方法，其特征在于，所述采样、积分、相加的功能用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现。

4.一种实现如权利要求1-4中任一权利要求所述方法的模数转换电路，其特征在于：包括采样电路、积分电路和时域求和电路，所述采样电路在一个斩波周期内，对斩波电路的输出信号以两倍的斩波频率进行两次采样，所述积分电路对两次采样的值积分，所述时域求和电路对积分后的信号相加后输出。

5.如权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于：所述采样电路、积分电路、时域求和电路用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现：sigma-delta ADC的输入端连接前级斩波电路的输出，从而斩波电路的输出信号直接输入ADC中的第一级开关电容积分器，该积分器对斩波电路的输出信号采样、积分并求和，该积分器的输出再送入ADC后级电路。

6.如权利要求5所述的模数转换电路，其特征在于：所述的sigma-delta ADC中使用开关电容积分器，积分器的个数不少于1级,其第一级开关电容积分器工作在两倍斩波频率。

7.如权利要求5所述的模数转换电路，其特征在于：所述的sigma-delta ADC中使用开关电容积分器，积分器的个数不少于2级,其第一级开关电容积分器工作在两倍斩波频率，后级开关电容积分器工作在斩波频率。 

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