CN103414475A - 连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高度稳定可靠的连续时间(Continuous-time)高阶复数正交Sigma-Delta模数转换器(High-orderComplexQuadrature?∑ADC)的设计方法。该发明首先利用Matlab进行分立低通Sigma-Delta模数转换器(Discrete-timeLow-pass?∑ADC)的系数设计；通过脉冲冲击响应匹配（ImpulseResponseMatching）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；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；按优化的电路实现版图（Layout）后，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（Post-Layout)模拟仿真的优化值。该设计流程的好处是稳定可靠，避免了高阶复数正交Sigma-Delta模数转换器流片后容易饱和或震荡的问题，大大降低重新流片的成本和风险。
Description
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。
优先地，所述步骤d中SpectreMDL使用measure语句来指定多次模拟电路所采用的元件参数值，并当模拟进行到所获得的样本点可以完成目标函数的计算，SpectreMDL立即停止该次参数模拟而进入到下一组的参数模拟，使整个系数优化的过程尽快完成。
附图说明
图1是复数正交Sigma-Delta
模数转换器(Complex Quadrature ∆∑ADC)在中频接收系统中的应用；
图2是复数正交Sigma-Delta
模数转换器电路模块结构；
图3是复数正交Sigma-Delta
模数转换器的设计流程；
图4 是Matlab分立低通Sigma-Delta 模数转换器(Discrete-time
Low-pass ∆∑ADC)仿真结构和脉冲冲击响应匹配曲线；
图5是Matlab复数正交Sigma-Delta 模数转换器中环路滤波器的系数模型；
图6是Matlab复数正交Sigma-Delta 模数转换器模型的仿真波形；
图7是复数正交Sigma-Delta
模数转换器单阶滤波器的结构；
图8是复数正交Sigma-Delta
模数转换器中环路滤波器的结构；
图9是复数正交Sigma-Delta
模数转换器的 系数优化的性能模拟波形。
如下具体实施方式将结合附图进行说明。
具体实施方式
本发明所设计的复数正交Sigma-Delta 模数转换器在中频无线接收系统中的应用如图１所示。RF信号由天线(101)进入，经过低噪声放大器(LNA,102)后分两路I通道和Q通道送入混频器(Mixer,103和104)，然后经过复数带通滤波器和放大器(Complex BPF和VGA,105)，经过正交Sigma-Delta 模数转换器(Complex Quadrature ∆∑ADC,107)后变成基带信号。在基带部分再经过抽选过滤器(Decimation Filter)进一步解调和傅立叶变换（FFT），解码出传送的信息（Payload）。复数正交带通∆∑模数转换器(Quadrature Band-pass ∆∑ADC,107)将所接收的模拟信号转换成高速取样时钟下的数码流，实现模数转换的功能和过程。
图2是一个五阶正交Sigma-Delta 模数转换器(Complex Quadrature ∆∑ADC)的总体架构图。信号经过五阶的滤波器然后各阶按不同的系数混合进入加法器，比较器对加法器的输出结果进行正负判定，再经过数模转换后由电流负反馈接入到输入端。其中滤波器和加法器构成了一个环路滤波器，它决定了整个环路的零点和极点，它的系数决定了系统的稳定性和性能的好坏。
图3是本发明所公开的高可靠性的复数正交Sigma-Delta
模数转换器(Complex Quadrature ∆∑ADC)的设计流程。主要步骤包括：
a. 首先利用Matlab进行分立低通Sigma-Delta
模数转换器(Discrete-time Low-pass ∆∑ADC)的系数设计；
b. 通过脉冲冲击响应匹配（Impulse Response Matching）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(Continuous-time Low-pass ∆∑ADC)的系数；
c. 然后将该连续时间低通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(Continuous-time Low-pass ∆∑ADC)之间的电阻耦合来转换成复数正交Sigma-Delta 模数转换器(Complex
Quadrature ∆∑ADC)；
d. 之后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. 这样按优化的电路实现版图（Layout），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（Post-Layout)模拟仿真的优化值；
f. 实施流片(Tape-out)，设计结束。
在11a的利用Matlab进行分立低通Sigma-Delta 模数转换器(Discrete-time
Low-pass ∆∑ADC)的系数设计，首先确定如下参数：
a. 过取样系数（Over-sampling Ratio)
b. 系统阶数(Order)
c. 噪声传输函数的零点个数(Number of zeros of
Noise-Transfer-Function)
d. 最大带外增益(Maximum out-of-band gain)
e. sigma-delta模数转换器的系统结构，如全反馈，全前向馈入等结构。
然后在这些参数基础上计算出分立低通Sigma-Delta 模数转换器(Discrete-time Low-pass ∆∑ADC)的噪声传输函数及其所有系数。其中一个重要的折中是最大带外增益(Maximum out-of-band gain)的选择。这个增益系数绝对值小于2时系统稳定的可能性较大。但是该系数越小，信号带宽内对噪声的衰减就越小，造成模数转换器的性能也越差。通常来说选取1.5 左右来确保系统的稳定。噪声传输函数（NTF）形式为
根据所给定的参数，经过优化后确定所有系数 
。
使用Matlab计算所得到的系数对分立低通Sigma-Delta 模数转换器(Discrete-time Low-pass ∆∑ADC)的噪声传输函数（NTF）进行仿真；一个五阶分立低通Sigma-Delta 模数转换器的频率响应曲线如图4左边图所示，大部分噪声被推到高带宽区域，而信号带宽内零点的分布决定了分立低通Sigma-Delta
模数转换器的信号传输信噪比和稳定性。这些零点的个数和位置也是由开始设计时指定的零点个数来决定的。
在11b通过脉冲冲击相应匹配（Impulse Response
Matching）将分立低通Sigma-Delta 模数转换器(Discrete-time Low-pass ∆∑ADC)的系数转换为连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器(Continuous-time
Low-pass ∆∑ADC)的系数。匹配的过程实际上是对连续时间低通Sigma-Delta
模数转换器(Continuous-time Low-pass ∆∑ADC)的系数进行优化的过程，使得在指定的脉冲冲击响应的时间范围内，所有时间点在分立系统和连续时间系统之间的统计平均值达到最小。匹配的结果如图4中右边图所示，实线是分立系统的脉冲冲击响应，而各个点时连续时间函数优化后的脉冲响应点，两者非常接近。这样在Matlab对分立低通Sigma-Delta 模数转换器(Discrete-time
Low-pass ∆∑ADC)的稳定性和性能预测也代表了相应的连续时间低通Sigma-Delta
模数转换器(Continuous-time Low-pass ∆∑ADC)的稳定性和转换性能。
根据匹配所得到的连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器(Continuous-time
Low-pass ∆∑ADC)的系数，加上I通道和Q通道直接的直接电阻耦合，来建立连续时间复数正交Sigma-Delta
模数转换器(Complex Quadrature ∆∑ADC)的Matlab结构化模型（图5）。该模型使用理想化的积分器，乘法器和加法/减法器来实现传输函数的功能。依据该模型的仿真结果如图6所示，这是连续时间低通Sigma-Delta 模数转换器的频谱相应，和图4中的分立低通Sigma-Delta 模数转换器性能曲线很接近。在该曲线的底部清楚地反映了各个零点所在的位置。
如11c所述依据复数正交Sigma-Delta 模数转换器(Complex Quadrature ∆∑ADC)的Matlab结构化模型用电路来实现。计分器由运算放大器以及电阻/电容来实现，而各阶之间的反馈系数和I/Q通道直接的反馈由电阻耦合来完成。其中一个单阶复数正交滤波器的实现如图7所示。实际上是由两个积分器加上I通道和Q通道之间的电阻耦合来实现。然后由多个阶复数正交滤波器构成高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的环路滤波器。如图8所示。
设置每个单阶正交滤波器的电阻和电容值为参数，然后固定这些参数直接的比值，用SpectreMDL对整个复数正交Sigma-Delta 模数转换器加上采取的参数值进行电路模拟。这些参数的比值和变化都可以在SpectreMDL里设置以进行成批量的电路模拟。SpectreMDL还有一项特别的功能：当取得足够数据来完成计算目标性能函数值后自动停止并退出该组参数的模拟仿真过程，所以很多情形下，如果电路不稳定或者饱和，仿真的数据会出现异常（太小或太大），而SpectreMDL在探测到该情形时会立即停止该组参数的仿真而切换到下一组参数，所以大大提高了电路模拟的效率。
但所有参数电路模拟完成以后，利用SpectreMDL自动打印和比较每组参数所获得的目标性能函数值并取得最优化的参数值。
依据最优化得参数值确定电路元件值，并完成版图设计。
按确定的电路实现版图（Layout），然后进行版图提取，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，以获得版图后（Post-Layout)模拟的优化值。版图后模拟的性能曲线如图9所示。
Claims (4)
1.一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。
2.根据权利要求1所述的一种连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的一种连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种连续时间高阶复数正交Sigma-Delta 模数转换器的设计方法，其特征在于，所述步骤d中SpectreMDL使用measure语句来指定多次模拟电路所采用的元件参数值，并当模拟进行到所获得的样本点可以完成目标函数的计算，SpectreMDL立即停止该次参数模拟而进入到下一组的参数模拟，使整个系数优化的过程尽快完成。
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|---|---|---|---|---|
| CN101378285A (zh) * | 2008-09-28 | 2009-03-04 | 深圳市统先科技股份有限公司 | 用于卫星通信高速解调器内正交下变频的实现方法 |
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