CN103731152B - 一种可重构Sigma-Delta调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构Sigma‑Delta调制器，包括可配置环路滤波器、多位量化器和数模转换器，输入信号连接可配置环路滤波器，可配置环路滤波器连接多位量化器的输入端，多位量化器的输出端分别连接调制器的输出端和数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接可配置环路滤波器，本发明所提出的调制器具有功耗小，带宽可调谐，节约芯片面积的优点。

Description

一种可重构Sigma-Delta调制器

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种可重构Sigma-Delta调制器。

背景技术

在设计适用于多模、多频的无线集成收发器电路时，不可避免地需要多种不同带宽的高精度模数转换器。由于模数转换器精度、带宽的要求往往需要采用多个不同带宽的高精度模数转换器来满足多频多模无线集成终端的需要，这样，不仅增加了设计难度，而且功耗、硬件成本也成倍地增加，随着CMOS工艺的不断进步，集成度直接影响着最终电子产品的制造成本、尺寸和重量。所以研究出一种低成本、可重构、低功耗、带宽可调谐、全集成的高精度模数转换器具有重要的学术意义和实际应用价值。

Sigma-Delta模数转换器是由Sigma-Delta调制器和抽取滤波器组成，其中Sigma-Delta调制器是Sigma-Delta模数转换器的核心模块之一，它是基于过采样和噪声整形理论，将频带内的量化噪声通过环路滤波器移除到频带外，再通过数字抽取滤波器来消除，研究发现，通过增加采样频率和环路滤波器传递函数的阶数，可大大增加模数转换器的精度，然而，阶数越高，噪声整形作用越好，但电路功耗更大，输入信号带宽则越小，稳定性变差。

目前Sigma-Delta调制器电路结构的实现方式主要有两种，分别是单环Sigma-Delta调制器、级联Sigma-Delta调制器；单环Sigma-Delta调制器又分为分布式前馈、分布式反馈两种，单环结构由一系列串联的积分器、一个量化器和一个DAC串联形成一个环路，这种结构是有条件稳定的，适用于较高的过采样率的应用，其理想的动态范围和实际电路实现的动态范围相差较大，单环结构中的量化器可以采用一位或多位量化器。一位的量化器具有简单，无条件线性的优点，而多位量化器通过降低量化噪声，极大地达到提高信噪比，但是多位量化器具有非线性的缺点，需要数字校正电路降低其非线性。级联Sigma-Delta调制器是通过多级一阶或二阶带有量化噪声整形的调制器级联构成，该结构由低阶的调制器构成的，环路较高阶单环调制器稳定，然而级联Sigma-Delta调制器对各个单环调制器电路的失配影响非常敏感；

相对而言，采用两个级联二阶谐振子反馈型调制器，构成可重构Sigma-Delta调制器通过开关切换，可以使积分器阶数可变，节省硬件开销，实现的工作频率较高，可调谐性好。对于降低系统的成本，提高系统的集成度将很有帮助。

发明内容

本发明的目的是为解决上述不足，提供一种可重构的Sigma-Delta调制器。通过采用两个级联二阶谐振子反馈型调制器构成可配置的2阶、3阶、4阶分布式输出反馈并带有局部反馈的谐振子结构，从而进行功耗、带宽、精度的可配置，来实现适用于多模、多频射频基带模数转换器中噪声整形的作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可重构Sigma-Delta调制器，包括可配置环路滤波器、多位量化器和数模转换器，输入信号连接可配置环路滤波器，可配置环路滤波器连接多位量化器的输入端，多位量化器的输出端分别连接调制器的输出端和数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接可配置环路滤波器。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的可配置环路滤波器包括第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构、第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构、第一可配置前馈输入系数、第六开关、第八开关、第九开关、第十开关、第五加法器和第一可配置分布式输出反馈系数，第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构连接第八开关的一端，第八开关的另一端连接第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构，第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构连接第五加法器的第一正向输入端，第五加法器的输出端连接多位量化器，第九开关的一端连接第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构，第九开关的另一端分别连接第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构和第十开关的一端，第十开关的另一端分别连接第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构、第一可配置分布式输出反馈系数的一端和数模转换器的输出端，第一可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第五加法器的负向输入端，第一可配置前馈输入系数的一端分别连接输入信号、第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构和第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构，第一可配置前馈输入系数的另一端连接第六开关的一端，第六开关的另一端连接第五加法器的第二正向输入端。

2、所述的第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构包括第五可配置前馈输入系数、第四可配置前馈输入系数、第二局部反馈系数、第五可配置分布式输出反馈系数、第四可配置分布式输出反馈系数、第一开关、第二开关、第三开关、第七开关、第一加法器、第二加法器、第一积分器和第二积分器，第五可配置前馈输入系数的一端连接输入信号，第五可配置前馈输入系数的另一端连接第一开关的一端，第一开关的另一端连接第一加法器的正向输入端，第五可配置分布式输出反馈系数的一端连接第一加法器的第一负向输入端，第五可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第九开关的一端，第二局部反馈系数的一端连接第三开关的一端，第二局部反馈系数的另一端连接第一加法器的第二负向输入端，第一加法器的输出端连接第一积分器的输入端，第一积分器的输出端连接第七开关的一端，第七开关的另一端连接第二加法器的第一正向输入端，第四可配置前馈输入系数的一端连接输入信号，第四可配置前馈输入系数的另一端连接第二开关的一端，第二开关的另一端连接第二加法器的第二正向输入端，第四可配置分布式输出反馈系数的一端连接第二加法器的负向输入端，第四可配置分布式输出反馈系数的另外一端分别连接第九开关的另一端和第十开关的一端，第二加法器的输出端连接第二积分器的输入端，第二积分器的输出端分别连接第三开关的另一端和第八开关的一端。

3、所述的第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构包括第三可配置前馈输入系数、第二可配置前馈输入系数、第一局部反馈系数、第三可配置分布式输出反馈系数、第二可配置分布式输出反馈系数、第四开关、第五开关、第三加法器、第四加法器、第三积分器和第四积分器，第八开关的另一端连接第三加法器的正向输入端，第三可配置前馈输入系数的一端连接输入信号，第三可配置前馈输入系数的另一端连接第四开关的一端，第四开关的另一端连接第三加法器的正向输入端，第一局部反馈系数的一端连接第五加法器的第一正向输入端，第一局部反馈系数的另一端连接第三加法器的第一负向输入端，第三可配置分布式输出反馈系数的一端连接第十开关的另一端，第三可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第三加法器的第二负向输入端，第三加法器的输出端连接第三积分器的输入端，第三积分器的输出端连接第四加法器的第一正向输入端，第二可配置前馈输入系数的一端连接第一可配置前馈输入系数的一端，第二可配置前馈输入系数的另一端连接第五开关的一端，第五开关的另一端连接第四加法器的第二正向输入端，第二可配置分布式输出反馈系数的一端分别连接第三可配置分布式输出反馈系数的一端和第一可配置分布式输出反馈系数的一端，第二可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第四加法器的负向输入端，第四加法器的输出端连接第四积分器的输入端。

4、当第二开关、第四开关、第五开关、第六开关断开，第一开关、第三开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的4阶Sigma-Delta调制器。

5、当开关第一开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第九开关断开，第二开关、第八开关、第十开关闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的3阶Sigma-Delta调制器。

6、当开关第一开关、第二开关、第三开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关断开，第四开关闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的2阶Sigma-Delta调制器。

本发明具有如下有益的效果：

本发明提出的一种可重构的Sigma-Delta调制器能够满足多模、多频无线收发器对带宽、功耗、低成本的需求，同时它通过开关，对调制器中积分器模块实现复用，能极大地节约芯片面积，并对带宽、功耗、精度实现控制，本发明所提出的调制器功耗小，带宽可调谐，节约芯片面积。

附图说明

图1为本发明所提出的可重构的Sigma-Delta调制器结构示意图；

图2为本发明所提出的可重构实现的一种带有谐振子分布式输出反馈型的4阶Sigma-Delta调制器原理图；

图3为本发明所提出的可重构实现的一种带有谐振子分布式输出反馈型的3阶Sigma-Delta调制器原理图；

图4为本发明所提出的可重构实现的一种带有谐振子分布式输出反馈型的2阶Sigma-Delta调制器原理图。

其中，1、第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构，2、第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构，3、可配置环路滤波器，4、多位量化器，5、数模转换器，6、第一加法器，7、第一积分器，8、第二加法器，9、第二积分器，10、第三加法器，11、第三积分器，12、第四加法器，13、第四积分器，14、第五加法器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1

一种可重构Sigma-Delta调制器，包括可配置环路滤波器3、多位量化器4和数模转换器5，输入信号Vin(t)连接可配置环路滤波器，可配置环路滤波器连接多位量化器的输入端，多位量化器的输出端分别连接调制器的输出端y[n]和数模转换器的输入端，数模转换器的输出端y(t)连接可配置环路滤波器。

所述的可配置环路滤波器包括第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构1、第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构2、第一可配置前馈输入系数b0、第六开关S6、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第五加法器14和第一可配置分布式输出反馈系数a0，第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构1连接第八开关S8的一端，第八开关S8的另一端连接第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构2，第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构2连接第五加法器14的第一正向输入端，第五加法器14的输出端连接多位量化器4，第九开关S9的一端连接第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构1，第九开关S9的另一端分别连接第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构1和第十开关S10的一端，第十开关S10的另一端分别连接第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构2、第一可配置分布式输出反馈系数a0的一端和数模转换器5的输出端，第一可配置分布式输出反馈系数a0的另一端连接第五加法器14的负向输入端，第一可配置前馈输入系数b0的一端分别连接输入信号Vin(t)、第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构1和第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构2，第一可配置前馈输入系数b0的另一端连接第六开关S6的一端，第六开关S6的另一端连接第五加法器14的第二正向输入端。

所述的第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构1包括第五可配置前馈输入系数b4、第四可配置前馈输入系数b3、第二局部反馈系数g2、第五可配置分布式输出反馈系数a4、第四可配置分布式输出反馈系数a3、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第七开关S7、第一加法器6、第二加法器8、第一积分器7和第二积分器9，第五可配置前馈输入系数b4的一端连接输入信号Vin(t)，第五可配置前馈输入系数b4的另一端连接第一开关S1的一端，第一开关S1的另一端连接第一加法器6的正向输入端，第五可配置分布式输出反馈系数a4的一端连接第一加法器6的第一负向输入端，第五可配置分布式输出反馈系数a4的另一端连接第九开关S9的一端，第二局部反馈系数g2的一端连接第三开关S3的一端，第二局部反馈系数g2的另一端连接第一加法器6的第二负向输入端，第一加法器6的输出端连接第一积分器7的输入端，第一积分器7的输出端连接第七开关S7的一端，第七开关S7的另一端连接第二加法器8的第一正向输入端，第四可配置前馈输入系数b3的一端连接输入信号Vin(t)，第四可配置前馈输入系数b3的另一端连接第二开关S2的一端，第二开关S2的另一端连接第二加法器8的第二正向输入端，第四可配置分布式输出反馈系数a3的一端连接第二加法器8的负向输入端，第四可配置分布式输出反馈系数a3的另一端分别连接第九开关S9的另一端和第十开关S10的一端，第二加法器8的输出端连接第二积分器9的输入端，第二积分器9的输出端分别连接第三开关S3的另一端和第八开关S8的一端。

所述的第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构2包括第三可配置前馈输入系数b2、第二可配置前馈输入系数b1、第一局部反馈系数g1、第三可配置分布式输出反馈系数a2、第二可配置分布式输出反馈系数a1、第四开关S4、第五开关S5、第三加法器10、第四加法器12、第三积分器11和第四积分器13，第八开关S8的另一端连接第三加法器10的正向输入端，第三可配置前馈输入系数b2的一端连接输入信号Vin(t)，第三可配置前馈输入系数b2的另一端连接第四开关S4的一端，第四开关S4的另一端连接第三加法器10的正向输入端，第一局部反馈系数g1的一端连接第五加法器14的第一正向输入端，第一局部反馈系数g1的另一端连接第三加法器10的第一负向输入端，第三可配置分布式输出反馈系数a2的一端连接第十开关S10的另一端，第三可配置分布式输出反馈系数a2的另一端连接第三加法器10的第二负向输入端，第三加法器10的输出端连接第三积分器11的输入端，第三积分器11的输出端连接第四加法器12的第一正向输入端，第二可配置前馈输入系数b1的一端连接第一可配置前馈输入系数b0的一端，第二可配置前馈输入系数b1的另一端连接第五开关S5的一端，第五开关S5的另一端连接第四加法器12的第二正向输入端，第二可配置分布式输出反馈系数a1的一端分别连接第三可配置分布式输出反馈系数a2的一端和第一可配置分布式输出反馈系数a0的一端，第二可配置分布式输出反馈系数a1的另一端连接第四加法器12的负向输入端，第四加法器12的输出端连接第四积分器13的输入端。

实施例2

本发明中，可重构调制器其实质是由二阶谐振子反馈型滤波器相级联、量化器、数模转换器共同组成的Sigma-Delta调制器，其中，积分器的前馈、反馈系数和局部反馈系数均可映射为具体电路模块；若环路滤波器是开关电容结构，则这些系数可映射为开关电容阵列；若环路滤波器是跨导电容或电阻电容结构，则这些系数可映射为电容或电阻阵列；局部反馈系数g_i(i＝1，2)用于调整零点位置，优化基带内噪声，反馈系数a_i(i＝0，1，2，3，4)用于调整极点位置，积分器的增益系数k_i(i＝1，2，3，4)用于调整积分器电路的输出电平，使其处于合理的输出范围，防止调制器过载；通过开关切换，实现阶数可变，带宽可变，功耗可变的。

当开关S2、S4、S5、S6断开，S1、S3、S7、S8、S9、S10闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的4阶Sigma-Delta调制器(如图2所示)；

当开关S1、S3、S4、S5、S6、S7、S9断开，S2、S8、S10闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的3阶Sigma-Delta调制器(如图3所示)；

当开关S1、S2、S3、S5、S6、S7、S8、S9、S10断开，S4闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的2阶Sigma-Delta调制器(如图4所示)。

Claims (6)

1.一种可重构Sigma-Delta调制器，包括可配置环路滤波器、多位量化器和数模转换器，输入信号连接可配置环路滤波器，可配置环路滤波器连接多位量化器的输入端，多位量化器的输出端分别连接调制器的输出端和数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接可配置环路滤波器；其特征在于：所述的可配置环路滤波器包括第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构、第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构、第一可配置前馈输入系数、第六开关、第八开关、第九开关、第十开关、第五加法器和第一可配置分布式输出反馈系数，第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构连接第八开关的一端，第八开关的另一端连接第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构，第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构连接第五加法器的第一正向输入端，第五加法器的输出端连接多位量化器，第九开关的一端连接第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构，第九开关的另一端分别连接第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构和第十开关的一端，第十开关的另一端分别连接第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构、第一可配置分布式输出反馈系数的一端和数模转换器的输出端，第一可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第五加法器的负向输入端，第一可配置前馈输入系数的一端分别连接输入信号、第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构和第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构，第一可配置前馈输入系数的另一端连接第六开关的一端，第六开关的另一端连接第五加法器的第二正向输入端。

2.如权利要求1所述的一种可重构Sigma-Delta调制器，其特征在于：所述的第一二阶谐振子分布式输出反馈型结构包括第五可配置前馈输入系数、第四可配置前馈输入系数、第二局部反馈系数、第五可配置分布式输出反馈系数、第四可配置分布式输出反馈系数、第一开关、第二开关、第三开关、第七开关、第一加法器、第二加法器、第一积分器和第二积分器，第五可配置前馈输入系数的一端连接输入信号，第五可配置前馈输入系数的另一端连接第一开关的一端，第一开关的另一端连接第一加法器的正向输入端，第五可配置分布式输出反馈系数的一端连接第一加法器的第一负向输入端，第五可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第九开关的一端，第二局部反馈系数的一端连接第三开关的一端，第二局部反馈系数的另一端连接第一加法器的第二负向输入端，第一加法器的输出端连接第一积分器的输入端，第一积分器的输出端连接第七开关的一端，第七开关的另一端连接第二加法器的第一正向输入端，第四可配置前馈输入系数的一端连接输入信号，第四可配置前馈输入系数的另一端连接第二开关的一端，第二开关的另一端连接第二加法器的第二正向输入端，第四可配置分布式输出反馈系数的一端连接第二加法器的负向输入端，第四可配置分布式输出反馈系数的另外一端分别连接第九开关的另一端和第十开关的一端，第二加法器的输出端连接第二积分器的输入端，第二积分器的输出端分别连接第三开关的另一端和第八开关的一端。

3.如权利要求1所述的一种可重构Sigma-Delta调制器，其特征在于：所述的第二二阶谐振子分布式输出反馈型结构包括第三可配置前馈输入系数、第二可配置前馈输入系数、第一局部反馈系数、第三可配置分布式输出反馈系数、第二可配置分布式输出反馈系数、第四开关、第五开关、第三加法器、第四加法器、第三积分器和第四积分器，第八开关的另一端连接第三加法器的正向输入端，第三可配置前馈输入系数的一端连接输入信号，第三可配置前馈输入系数的另一端连接第四开关的一端，第四开关的另一端连接第三加法器的正向输入端，第一局部反馈系数的一端连接第五加法器的第一正向输入端，第一局部反馈系数的另一端连接第三加法器的第一负向输入端，第三可配置分布式输出反馈系数的一端连接第十开关的另一端，第三可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第三加法器的第二负向输入端，第三加法器的输出端连接第三积分器的输入端，第三积分器的输出端连接第四加法器的第一正向输入端，第二可配置前馈输入系数的一端连接第一可配置前馈输入系数的一端，第二可配置前馈输入系数的另一端连接第五开关的一端，第五开关的另一端连接第四加法器的第二正向输入端，第二可配置分布式输出反馈系数的一端分别连接第三可配置分布式输出反馈系数的一端和第一可配置分布式输出反馈系数的一端，第二可配置分布式输出反馈系数的另一端连接第四加法器的负向输入端，第四加法器的输出端连接第四积分器的输入端。

4.如权利要求1所述的一种可重构Sigma-Delta调制器，其特征在于：当第二开关、第四开关、第五开关、第六开关断开，第一开关、第三开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的4阶Sigma-Delta调制器。

5.如权利要求1所述的一种可重构Sigma-Delta调制器，其特征在于：当开关第一开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第九开关断开，第二开关、第八开关、第十开关闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的3阶Sigma-Delta调制器。

6.如权利要求1所述的一种可重构Sigma-Delta调制器，其特征在于：当开关第一开关、第二开关、第三开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关、第十开关断开，第四开关闭合时，则实现的是带有谐振子分布式输出反馈型的2阶Sigma-Delta调制器。