CN103986469A - 采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数模混合集成电路设计领域，为实现在不大幅度增加面积和功耗的条件下，降低高精度sigma-delta模数转换器所需的转换时间，同时并不增加对模拟电路精度和匹配度的要求。为此，本发明采取的技术方案是，采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器，包括开关电容积分器、1.5位模数转换器、1.5位数模转换器、加法器、多路选择器、寄存器和计数器；多路选择器包括联动开关S1和联动开关S3，输入信号依次经联动开关S1、加法器、开关电容积分器、1.5位模数转换器、联动开关S1、计数器、另一个加法器进行输出。本发明主要应用于数模混合集成电路。

Description

采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器

技术领域

本发明涉及数模混合集成电路设计领域，特别涉及模拟数字转换器的设计及电路实现。具体讲，涉及采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器。

技术背景

在需要高精度模拟数字转换器的场合，通常采用sigma-delta模数转换器，这是一种过采样模数转换器。它的优点在于对于电路匹配度和模拟电路的指标要求较低，但是因为其采样频率远高于奈奎斯特采样率的模数转换器，因此速度较慢，因此sigma-delta模数转换器常用于低速度（通常低于音频）高精度的模数转换。如若需要使用1阶sigma-delta模数转换器获得10位精度，则至少需要电路工作2¹⁰即1024个周期，如果采用高阶结构，所需转换时间则会减少，但是无论是一阶还是高阶结构，在转换越高精度的数据时，所需要的转换时间将增加。因此转换速度慢成为限制sigma-delta模数转换器应用的一个重要原因。

对于前馈式sigma-delta模数转换器，其调制器传输函数为1，即转换完成后的最后一级积分器输出就等于它的量化误差，也就是输入与输出之间的差值，对这一量化误差再次进行测量，就可以增加它的精度。

循环型模数转换器和流水线型模数转换器是速度较快的模数转换器，但它们的精度因为依靠集成电路中器件匹配度而受到了限制，同时也对模拟电路的指标提出了更高的要求。因为以上的限制，它们在高精度尤其是12位以上精度的实现遇到了较大困难。

而sigma-delta模数转换器与循环型模数转换器在电路结构上具有相似性，它们都是以开关电容积分电路为核心构成的，sigma-delta模数转换器和循环型模数转换器中均需要一个低位（1位或1.5位）的模数转换器和数模转换器。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现在不大幅度增加面积和功耗的条件下，降低高精度sigma-delta模数转换器所需的转换时间，同时并不增加对模拟电路精度和匹配度的要求。为此，本发明采取的技术方案是，采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器，包括开关电容积分器、1.5位模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、1.5位数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)、加法器、多路选择器、寄存器和计数器；多路选择器包括联动开关S₁和联动开关S₃，输入信号依次经联动开关S₁、加法器、开关电容积分器、1.5位模数转换器、联动开关S₁、计数器、另一个加法器进行输出，开关电容积分器的输出经第2开关反馈到所述加法器，1.5位模数转换器的输出经1.5位数模转换器反馈到所述加法器；1.5位模数转换器的输出还通过联动开关S₃、寄存器输出到所述另一个加法器；还包括如下时序连接关系：

第一阶段，即sigma-delta阶段，联动开关S₁闭合，联动开关S₃断开；

第二阶段，即循环阶段，联动开关S₃闭合，联动开关S₁断开。

开关电容积分器由三个开关、采样电容、积分电容和运放构成，开关电容积分器输入信号经采样电容再分别通过三个开关中的第1、第2开关对应连接到运放的同相、反相输入端，积分电容和三个开关中的第3开关并接在运放的同相和输出端之间，反相输入端还连接到中心电压。

本发明的技术特点与效果：

本发明针对Σ-Δ型模数转换器在高精度下转换时间较长的问题，采用两步转换，将所需精度分为两部分，高位部分采用Σ-Δ模数转换器进行转换，低位部分采用循环型模数转换器进行转换，这样，通过降低Σ-Δ阶段转换位数以及采用转换速度快的循环阶段，可以显著降低转换所需时间。

同时，利用Σ-Δ阶段与循环阶段所需电路累似的特点，使用同一套硬件以不同的时序进行实现，可以大幅度节约所需面积和功耗。

本发明在不增加电路设计难度、不显著增加电路面积和功耗的条件下，减少进行同样精度模数转换所需要的转换时间，适合要求高精度和高速度的模数转换。

附图说明

图1模数转换器结构示意图。

图2模数转换器电路实现。

图3控制开关时序图。

具体实施方式

本发明提出使用两步转换的方案，即首先使用sigma-delta式的模数转换器获得高位精度，再将量化误差利用循环型模数转换器进行转换，得到低位精度。采用此种方法可以减少sigma-delta模数转换器需要转换的精度，从而大大提高模数转换器的转换速度。另一方面，利用sigma-delta模数转换器与循环型模数转换器结构相似的特点，可以采用硬件复用，即使用同一部分电路采用不同的时序和开关控制分别实现sigma-delta模数转换和循环型模数转换，这样可以不引入额外的电路，从而降低面积和功耗。

本发明提出了一种新结构的sigma-delta模拟数字转换器，通过两步转换和硬件复用，在不增加电路设计难度、不损失精度的条件下，提高转换速度。

电路应由以下几部分组成：由多路选择器、开关电容积分器、1.5位模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、1.5位数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)组成的模拟部分；由多路选择器、寄存器和计数器组成的数字模块。电路结构如图1所示。

在模拟模块中，联动开关S₁和联动开关S₃在不同时间分别导通，开关电容积分器的输入经由多路选择器的输出和1.5位DAC的输出累加得到，1.5位DAC的输入为1.5位ADC的输出，1.5位ADC的输入为开关电容积分器的输出；数字模块的输入为模拟模块的输出；在数字模块中，当联动开关S₁选通时，数字部分的输入提供给计数器，当联动开关S₃选通时，数字部分的输入提供给寄存器，将计数器所得到的m位输出作为高位，寄存器所得到的n位输出作为低位相合并得到模数转换器的输出。

电路工作过程如下：

第一阶段，即sigma-delta阶段。联动开关S₁闭合，联动开关S₃断开。此时电压输入信号减去1.5位数字模拟转换器的输出电压，将所得到电压输入开关电容积分器。积分器累积的模拟电压值经过1.5位模拟数字转换器转换为数字信号，提供给1.5位DAC，同时在计数器中进行累加，计数器累加在此阶段结束时得到此阶段的m位数据。

在此阶段中，电路的工作状态相当于一个sigma-delta模数转换器

第二阶段，即循环阶段。联动开关S₃闭合，联动开关S₁闭断开。与第一阶段不同的是，在此阶段时，以开关电容积分器输出的模拟电压值，减去1.5位DAC的反馈电压作为开关电容积分器的输入；开关电容积分器的输出经过1.5位ADC转换为数字信号后，进入寄存器中进行存储。每运行一个周期寄存器储存1.5位数据，最终得到n位数据。

在此阶段中，开关积分器的输入电压相当于上一周期开关电容积分器输出电压的二倍减去1.5位DAC的反馈电压，电路的工作状态相当于一个循环型模数转换器。

当以上两阶段完成后，以第一阶段所得的数据作为高位，第二阶段所得的数据作为低位，可以得到m+n位的最终数字输出。

下面以一阶结构和单端电路为例说明本发明的具体实施方案，在实际实施中，电路也可以是高阶电路或差动形式。

模数转换器的模拟部分由运算放大器、采样电容C₁、积分电容C₂、1.5位ADC、1.5位DAC、联动开关S₁S₃和开关S₂S₄S₅S_R组成。图2展示了模数转换器模拟部分具体的电路实现。S₁控制输入V_in到采样电容C₁的传输以及1.5位ADC到计数器的传输，S₂控制1.5位DAC输出到采样电容C₁的传输，S₃控制运算放大器输出到采样点容C₁的传输以及1.5位ADC到寄存器的传输，S₄控制采样电容C₁到积分电容C₂的电荷转移，S₅控制采样电容到中心电压V_com的连接，S_R控制C₂电容两端的连接，运算放大器后接1.5位ADC，1.5位ADC后接1.5位DAC和数字部分处理电路。

电路中，各个开关采用但不限于使用CMOS传输门，电容C₁=C2=1pf，1.5位ADC将输入电压分别与高电压V_H=3V和低电压V_L=1V相比较，若高于V_H则输出二进制码b10，低于VL则输出b00，介于3V和1V之间则输出b01。1.5位DAC若输入为b10，则输出高电压4V，若输入为b01，则输出中心电压V_com=2V，若输入为b00，则输出低电压0V，这三个电压将在后文中统称反馈电压V_fb。

开关的S₁S₃S₅的控制信号应该与S₂S₄的控制信号为两相不交叠时钟，他们的具体时序在下文描述并可见图3。

电路的工作状态如下：

首先进行电路复位，S_R开关导通，其它开关断开，即将积分电容C₂电压清零。

在sigma-delta阶段，首先是S₁和S₅导通，其它开关均断开，电路进行采样，输入电压的范围为0V-4V输入电压V_in=2.6V时，采样电容C₁上获得电压V_in-V_com=0.6V。之后断开S₁和S₅，将S₂和S₄导通，此时C₁一段接至1.5位DAC输出，另一端接至C₂，电路进行电荷转移，此时有C₁(V_in-V_fb)的电荷从采样电容C₁转移至积分电容C₂。经过一次采样和电荷转移，就完成了一次输入电压V_in与反馈电压V_fb的积分，这是sigma-delta模数转换器的工作过程。此时积分器的输出电压由初始的2V变为2.6V，1.5位ADC的输出b01送至数字计数器，重复以上过程64次后，得到需要的高位6位数据b101001，最终V_p点的剩余电压为2.4V。

之后进入循环阶段，在此阶段，首先是S₃和S₅导通，其它开关均断开，电路进行采样，不同的是，此时采样电容C1上获得的电压为V_p-V_com=2.4V-2V=0.4V。之后断开S₃和S₅，将S₂和S₄导通，此时C₁一段接至1.5位DAC输出，DAC输出为b01，另一端接至C₂，电路进行电荷转移，此时有C₁*0.4V的电荷从采样电容C₁转移至积分电容C₂。经过一次采样和电荷转移的周期，积分器的输出变为2.8V，这是循环型模数转换器的工作过程。此时1.5位ADC的输出送至数字寄存器，重复以上过程10次后，得到了需要的低10位数据为b1001100110。

在数字电路中，在sigma-delta阶段进行模拟电路输出的累加操作，得到高6位数据并加以储存，在循环阶段将循环得到的低10位数据进行储存，最后将两组数据合并得到16位的最终输出b1010_0110_0110_0110，对应电压为2.599975V。

经过采样阶段和循环阶段，一次完整的模数转换完成，电路可以继续进行下一次转换。

Claims (2)

1.一种采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器，其特征是，包括开关电容积分器、1.5位模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、1.5位数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)、加法器、多路选择器、寄存器和计数器；多路选择器包括联动开关S₁和联动开关S₃，输入信号依次经联动开关S₁、加法器、开关电容积分器、1.5位模数转换器、联动开关S₁、计数器、另一个加法器进行输出，开关电容积分器的输出经第2开关反馈到所述加法器，1.5位模数转换器的输出经1.5位数模转换器反馈到所述加法器；1.5位模数转换器的输出还通过联动开关S₃、寄存器输出到所述另一个加法器；还包括如下时序连接关系：

第一阶段，即sigma-delta阶段，联动开关S₁闭合，联动开关S₃断开；

第二阶段，即循环阶段，联动开关S₃闭合，联动开关S₁断开。

2.如权利要求1所述的采用两步处理及硬件复用的sigma-delta模数转换器，其特征是，开关电容积分器由三个开关、采样电容、积分电容和运放构成，开关电容积分器输入信号经采样电容再分别通过三个开关中的第1、第2开关对应连接到运放的同相、反相输入端，积分电容和三个开关中的第3开关并接在运放的同相和输出端之间，反相输入端还连接到中心电压。