CN103391100B - 高通斩波Delta-Sigma模数转换器 - Google Patents
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Abstract
一种高通斩波Delta-Sigma模数转换器，是在典型的斩波Delta-Sigma模数转换器基础上，通过改变电路连接方式，及多引入一对斩波对。输入信号Vin连接第一斩波电路，再经过开关电容采样保持电路进行采样，采样信号输入原斩波放大器的输入中间点X3/X4。而产生的模拟输出信号取自原斩波放大器的输出中间点X5/X6。反馈电容Ch1，以及原输入斩波放大器的输入点X1/X2，原斩波放大器的输出点X7/X8均处于第二斩波电路与第三斩波电路之间。原斩波放大器的输出中间点X5/X6直接作为模拟输出信号，最后模拟输出信号经过量化器，再经过第四斩波电路，产生最终的数字输出信号。
Description
一、技术领域
本发明是一种高通斩波Delta-Sigma模数转换器，属于模拟集成电路设计技术领域。
二、背景技术
Delta-Sigma模数转换器广泛应用于高精度模拟-数字转换，尤其对如传感器，生物信号获取等低频应用。在这些应用中，Delta-Sigma模数转换器需要处理诸如心电波，脑电波等低频信号。所以需要Delta-Sigma模数转换器具有低直流失调、低闪烁噪声的特性。
斩波稳定技术是一种常用的减少直流直流失调和闪烁噪声的方法，传统的斩波Delta-Sigma模数转换器可以消除放大器本身产生的直流失调和闪烁噪声，却无法消除通路其他部分，比如开关电容等产生的直流失调和闪烁噪声。
三、发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了全新高通斩波Delta-Sigma模数转换器及实现方案，此种Delta-Sigma模数转换器相比传统Delta-Sigma模数转换器，可以大大降低电路直流失调和闪烁噪声，使其应用于高精度低频应用成为可能。
本发明的一种高通斩波Delta-Sigma模数转换器可以降低输出直流失调与闪烁噪声，使应用于高精度低频应用成为可能。
本发明的高通斩波Delta-Sigma模数转换器是通过以下技术方案来实现的：
本Delta-Sigma模数转换器，斩波电路两部分组成。
现有技术中典型的斩波Delta-Sigma模数转换器结构如图1所示。Vin信号先通过开关电容采样电路进行采样，再由放大器反馈电路产生模拟输出，最后经过量化器产生数字输出。
斩波电路位于放大器两端如图2，输入信号频率fin为低频，Delta-Sigma模数转换器的采样频率fs为高频。则斩波频率fs/2也为高频。经过第一斩波电路后，有用信号被调制到(fs/2-fin)为高频，而放大器产生的直流失调和闪烁噪声处于低频，后者对前者没有影响。再经过第二斩波电路有用信号被调制还原到fin，放大器产生的直流失调和闪烁噪声被调制到为高频。此文中，统称图2的电路为斩波放大器电路。此电路仅对于放大器本身产生的直流失调和闪烁噪声有抑制作用，却无法消除通路其他部分，比如开关电容等产生的直流失调和闪烁噪声。
本发明的原理是，如图3所示，本高通斩波Delta-Sigma模数转换器是在典型的斩波Delta-Sigma模数转换器(图1)基础上，通过改变电路连接方式，及多引入一对斩波对(斩波电路)，可以完全改变电路通路中的通带特性，消除电路中所有开关电容的直流失调和闪烁噪声。此高通斩波Delta-Sigma模数转换器，输入信号Vin连接第一斩波电路，再经过开关电容采样保持电路(C1,Φ1,Φ2)进行采样，采样信号输入原斩波放大器(图1)的输入中间点X3/X4，，而不是类似传统的斩波Delta-Sigma模数转换器，原输入斩波放大器的输入点X1/X2。而产生的模拟输出信号取自原斩波放大器(图1)的输出中间点X5/X6，而不是类似传统的斩波Delta-Sigma模数转换器，取自原斩波放大器的输出点X7/X8。反馈电容Ch1，以及原输入斩波放大器的输入点X1/X2，原斩波放大器的输出点X7/X8均处于第二斩波电路与第三斩波电路之间。原斩波放大器的输出中间点X5/X6直接作为模拟输出信号，最后模拟输出信号经过量化器，再经过第四斩波电路，产生最终的数字输出信号。
本发明技术方案是，一种高通斩波Delta-Sigma模数转换器，包括两个斩波电路、开关电容采样保持电路、放大器、量化器和反馈电容Ch1；本模数转换器转换信号为差分信号，其中输入信号为Vin+/Vin-，输出信号为Vout+/Vout-；两个斩波电路分别设为第二斩波电路和第三斩波电路；第二斩波电路的第二端与放大器的输入端连接，连接节点设为X3和X4；放大器的输出端连接第三斩波电路的第一端，连接节点设为X5和X6；所述对应差分信号，电容Ch1有两个，它们分别连接在第二斩波电路的第一端和第三斩波电路的第二端之间；其中，信号的高电平对应的电容Ch1与第二斩波电路的连接节点设为X1，与第三斩波电路的连接节点设为X7，信号的底电平对应的电容Ch1与第二斩波电路的连接节点设为X2，与第三斩波电路的连接节点设为X8；
还包括两个斩波电路，分别设为第一斩波电路和第四斩波电路；所述第一斩波电路的第一端是输入信号Vin的输入端；第一斩波电路的第二端连接开关电容采样保持电路的输入端，开关电容采样保持电路的输出端连接到节点X3和X4；量化器的输入端连接节点X5和X6，量化器的输出端连接第四斩波电路的第一端，第四斩波电路的第二端是输出信号Vout的输出端。
本发明的优点在于：
(1)本发明在传统的斩波Delta-Sigma模数转换器基础上。过改变电路连接方式，及引入多一对斩波对，可以完全改变电路通路中的通带特性，消除电路中所有开关电容的直流失调和闪烁噪声。使本模数转换器的高精度低频应用成为可能。
(2)本发明相对于现有的斩波Delta-Sigma模数转换器，不产生额外的功耗。
四、附图说明
图1是现有技术中典型的斩波Delta-Sigma模数转换器电路示意图；
图2是现有技术中斩波放大器电路示意图；
图3是本高通斩波Delta-Sigma模数转换器电路示意图。
五、具体实施方式
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
斩波技术是一种普遍应用于降低电路中直流失调和闪烁噪声的技术，如图2所示，斩波电路由四个交叉的开关对组成，分别由两对互补的时钟信号控制。斩波电路的作用为：将信号与直流失调及闪烁噪声分离到不同的频域，使得前者与后者不会互相影响。如果输入信号频率fin为低频，Delta-Sigma模数转换器的采样频率fs为高频，则斩波频率fs/2也为高频。
本发明的高通斩波Delta-Sigma模数转换器如图3所示，在图1所示的典型斩波Delta-Sigma模数转换器基础上，通过改变电路连接方式，及多引入一对斩波对，可以完全改变电路通路中的通带特性，消除电路中所有开关电容的直流失调和闪烁噪声。
本高通斩波Delta-Sigma模数转换器，输入信号Vin连接第一斩波电路，再经过开关电容采样保持电路(C1,Φ1,Φ2)进行采样，采样信号输入原斩波放大器(图1)的输入中间点X3/X4，，而不是类似传统的斩波Delta-Sigma模数转换器，原输入斩波放大器的输入点X1/X2。而产生的模拟输出信号取自原斩波放大器(图1)的输出中间点X5/X6，而不是类似传统的斩波Delta-Sigma模数转换器，取自原斩波放大器的输出点X7/X8。反馈电容Ch1，以及原输入斩波放大器的输入点X1/X2，原斩波放大器的输出点X7/X8均处于第二斩波电路与第三斩波电路之间。原斩波放大器的输出中间点X5/X6直接作为模拟输出信号，最后模拟输出信号经过量化器，再经过第四斩波电路，产生最终的数字输出信号。
图3中，频率为fin的输入信号先经过第一斩波电路后，有用信号被调制到(fs/2-fin)为高频，接下来，信号经过的开关电容采样保持电路(C1,Φ1,Φ2)产生的直流失调和闪烁噪声处于低频，放大器产生的直流失调和闪烁噪声也处于低频，电路中处于低频的直流失调和闪烁噪声对处于(fs/2-fin)的高频信号几乎没有任何影响。只有在反馈电容Ch1两端，由X1/X2到X7/X8之间，信号由于从X3/X4到X1/X2经过第二斩波电路，有用信号被调制回fin为低频，而前端电路产生的直流失调和闪烁噪声被调制到了接近fs/2的高频，但是就电容Ch1本身而言是不产生噪声的，所以在X1/X2到X7/X8之间，没有噪声引入频率处于fin的有用信号。当信号由X7/X8到X5/X6，经过第三斩波电路，有用信号再次被调制到(fs/2-fin)为高频，而被第二斩波电路调制到高频的直流失调和闪烁噪声，再次被调制回低频，产生模拟输出。模拟输出再经过量化器，产生数字输出。最后经过第四斩波电路，最终的数字输出，有用信号频率处于fin，电路中所有开关与放大器产生的直流失调和闪烁噪声频率处于接近fs/2的高频，因此，本发明的高通斩波Delta-Sigma模数转换器成功将有用信号和电路中所有开关与放大器产生的直流失调和闪烁噪声隔离开，进而使其应用于高精度低频应用成为可能。
Claims (1)
1.一种高通斩波Delta-Sigma模数转换器，包括两个斩波电路、开关电容采样保持电路、放大器、量化器和反馈电容Ch1；本模数转换器转换信号为差分信号，其中输入信号为Vin+/Vin-，输出信号为Vout+/Vout-；两个斩波电路分别设为第二斩波电路和第三斩波电路；第二斩波电路的第二端与放大器的输入端连接，连接节点设为X3和X4；放大器的输出端连接第三斩波电路的第一端，连接节点设为X5和X6；对应差分信号，电容Ch1有两个，它们分别连接在第二斩波电路的第一端和第三斩波电路的第二端之间；其中，信号的高电平对应的电容Ch1与第二斩波电路的连接节点设为X1，与第三斩波电路的连接节点设为X7，信号的低电平对应的电容Ch1与第二斩波电路的连接节点设为X2，与第三斩波电路的连接节点设为X8，其特征是还包括两个斩波电路，分别设为第一斩波电路和第四斩波电路；
所述第一斩波电路的第一端是输入信号Vin的输入端；第一斩波电路的第二端连接开关电容采样保持电路的输入端，开关电容采样保持电路的输出端连接到节点X3和X4；量化器的输入端连接节点X5和X6，量化器的输出端连接第四斩波电路的第一端，第四斩波电路的第二端是输出信号Vout的输出端。
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