CN104052481A - 高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法 - Google Patents
高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104052481A CN104052481A CN201310078567.6A CN201310078567A CN104052481A CN 104052481 A CN104052481 A CN 104052481A CN 201310078567 A CN201310078567 A CN 201310078567A CN 104052481 A CN104052481 A CN 104052481A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- inter
- analog
- feedback loop
- stage
- stage feedback
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
本发明提供了一种高精度模数转换装置，所述高精度模数转换装置为Sigma-Delta模数转换装置，其为Sigma-Delta模数转换装置，所述模数转换装置的每一级包括放大器、加减器、积分器，其特征在于，包括能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。本发明还提供一种提高模数转换精度的方法，包括在Sigma-Delta模数转换装置中，设置能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。本发明的高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法，能够当待转换信号是窄带信号时，在同样阶数的回路和时钟速率下，提供更高的模数转换精度和动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及电子通讯领域使用的模数转换装置，还涉及提高模数转换精度的方法。
背景技术
模数转换器在电子及通讯领域广泛应用。作为一个高精度的模数转换器或方法，Sigma-Delta模数转换器（∑ΔADC）在近20年得到了极其广泛地应用，比如每一个手机里都有3个以上的∑ΔADC。高精度的∑ΔADC需要高阶回路或高速时钟，高速时钟功耗大、设计难度高、产品合格率低、工艺要求高（见Z.M.Shi,(Invited),“Sigma-Delta ADC and DACfor Digital Wireless Communication”,Proc.IEEE Radio FrequencyIntegrated Circuits Symposium,p57,1999）、高阶稳定性差。∑ΔADC在正常工作时输出交替密度随信号而变的“0”和“1”。高阶∑ΔADC不稳定时会输出很多连续的“0”或“1”。高阶∑ΔADC的稳定性是业界长期研究的疑难课题之一。
图1是一个常规的三阶∑ΔADC电路框图。如图所示，所述模数转换器顺序连接有接收模拟输入信号In的放大器Gain0（增益系数为c(0)），加减器SumM1，积分器I1，放大器Gain1（增益系数为c(1)），加减器SumM2，积分器I2，放大器Gain2（增益系数为c(2)），加减器SumM3，积分器I3，放大器Gain3（增益系数为c(3)），输出数字输出信号Out的量化器Q1。
其中，所述模数转换器还包括4个反馈回路。量化器Q1的输出端通过反馈器fb1（反馈系数为g(2)）连接到第一级的加减器SumM1的输入端，通过反馈器fb2连接到第二级的加减器SumM2的输入端，通过反馈器fb3连接到第三级的加减器SumM3的输入端，上述回路构成了3个反馈回路。第4个反馈回路为级间反馈回路，即三积分器I3的输出端通过级间反馈器ifb2（反馈系数为g(2)）连接到加减器SumM2的输入端。
图2是图1所示的常规三阶∑ΔADC的大信号的输出频谱。输入大信号（-9dB），可以看出量化噪音随频率增高而增高，在信号频谱附近，信号高出噪音110dB。图3显示了图1所示的常规三阶∑ΔADC的小信号（-117dB）的输出频谱，可以看出，输出信号几乎淹没在量化噪音里。
当信号是窄带信号时，在信号附近降低量化噪音就可进一步提高∑ΔADC的精度。远离信号频谱的量化噪音可以通过后处理的数字带通滤波器滤除。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高精度模数转换装置。所述高精度模数转换装置为Sigma-Delta模数转换装置，所述模数转换装置的每一级包括放大器、加减器、积分器，其特征在于，包括能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。
进一步，所述级间反馈回路的反馈系数能够由可控制的电容阵列确定。
进一步，所述级间反馈回路由后一级的积分器的输出端连接到前一级的加减器的输入端而构成。
进一步，所述高精度模数转换装置为三阶Sigma-Delta模数转换装置，所述级间反馈回路由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成。
进一步，所述高精度模数转换装置为四阶Sigma-Delta模数转换装置，所述级间反馈回路包括第一个级间反馈回路和第二个级间反馈回路，所述第一个级间反馈回路由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成，所述第二个级间反馈回路由第四级的积分器的输出端连接到第三级的加减器的输入端而构成。
进一步，所述第一个级间反馈回路和第二个级间反馈回路可使得所述量化噪音零点频率和信号频率相重合。
本发明还提供一种提高模数转换精度的方法，包括在Sigma-Delta模数转换系统中，设置能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。
本发明的高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法，能够当待转换信号是窄带信号时，在同样阶数的回路和时钟速率下，提供更高的模数转换精度和动态范围。
附图说明
图1是一个常规的三阶∑ΔADC电路框图；
图2是图1所示的三阶∑ΔADC的大信号的输出频谱；
图3是图1所示的三阶∑ΔADC的小信号的输出频谱；
图4是本发明的高精度模数转换装置的一个实施例的电路框图；
图5是图4所示的高精度模数转换装置的大信号的输出频谱；
图6是图4所示的高精度模数转换装置的小信号的输出频谱；
图7是本发明的高精度模数转换装置的另一个实施例的电路框图；
图8是图7所示的高精度模数转换装置的一个信号输出频谱，显示了低频噪音零点频率低于信号频率，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率不重合的情况；
图9是图8所示的同一输入信号的输出信号频谱，但显示了低频噪音零点频率高于信号频率，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率不重合的情况；
图10是图8所示的同一输入信号的输出信号频谱，但显示了低频噪音零点频率与信号频率一致，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率不重合的情况；
图11是图8所示的同一输入信号的输出信号频谱，但显示了低频噪音零点频率和高频噪音零点频率都与信号频率一致的情况。
具体实施方式
本发明的关键在于，对于窄带信号，我们关心的是信号附近的量化噪音。通过在级间增加反馈回路从而在量化噪音频谱上增加零点，使得减少信号附近的噪音。下面以具体的实施例来描述本发明。
图4显示了本发明的三阶∑ΔADC的电路框图。三阶∑ΔADC的每一级包括顺序连接的放大器、加减器和积分器。与现有技术不同的是，该三阶∑ΔADC包括一个新的级间反馈回路ifb1，其反馈系数为g(1)。该级间反馈回路ifb1形成为：第二级的积分器I2的输出端连接到第一级的加减器SumMer1的输入端。级间反馈回路ifb1给整个模数转换装置在量化噪音频谱上增加了一个零点，反馈系数为g(1)决定了零点的位置。根据输入模拟信号的频率不同来选择反馈系数g(1)，使零点的位置和输入信号频率一致。因此，图4中的高精度模数转换装置是带零点的三阶∑ΔADC。
更具体来说，当输入信号通过图1所示的现有技术的ADC时，因为其不具有噪音零点，因此输出信号的信噪比低。但是，当在第二级和第一级之间增加了负反馈回路ifb1之后，图1所示的三阶∑ΔADC成为了具有噪音零点的三阶∑ΔADC。但是该噪音零点不一定落在输入信号的频谱附近。因此，需要对负反馈回路ifb1的反馈系数g(1)进行调整，使得噪音零点的位置和信号频率一致。反馈系数可以由电容阵列实现。调整电容阵列的电容，从而控制反馈系统的大小，通过观测输出信号的频谱，将噪音零点调整为与输入信号频率一致。
图5是图4所示的三阶∑ΔADC输出频谱，输入信号为大信号（-9dB）。与图2的现有技术相比，零点在信号附近，信号高出本底噪音-140dB，本发明的模数转换装置的信噪比常规的提高了30dB。
图6显示了小信号输入时的图4所示的三阶∑ΔADC的输出频谱，由图6可见，并对照图3的现有技术，当输入信号同样小到-117dB时，输出信号比本底量化噪音高出45dB，性能比图3所示的现有技术有很大提高。
可见，在信号频谱附近，在同样的阶数、同样的时钟速率情况下，带零点的∑ΔADC比常规的∑ΔADC给信号带来额外的模数转换信噪比。本发明的模数转换装置大大提高了窄带信号模数转换的动态范围和精度。
尽管本发明以图4所示的三阶∑ΔADC为例，但是本发明不限于此三阶，而是可以应用于其他多阶的∑ΔADC。
图7示出了一个四阶∑ΔADC的例子，如图所示，除了构成Sigma-DeltaADC固有的从信号输出端反馈到每一级的加减器的输入端的四个反馈回路之外，该四阶∑ΔADC还包括两个分别生成低频噪音零点和高频噪音零点的级间负反馈回路ifb3和ifb2。第一个级间负反馈回路ifb3由第二级的积分器I2的输出端连接到第一级的加减器SumM4的输入端而构成，第一个级间负反馈回路ifb3具有反馈系数g(1)，其产生低频噪音零点。第二个级间负反馈回路ifb2由第四级的积分器I4的输出端连接到第三级的加减器SumM1的输入端而构成，第二个级间负反馈回路ifb2具有反馈系数g(2)，其产生高频噪音零点。
在图7中显示的实例中，这两个级间负反馈回路相对独立，并不嵌套，也就是不是一个反馈回路构成为从第三级反馈到第一级，另一个反馈回路构成为从第四级反馈到第二级。但是也可以进行嵌套。
对于更高阶的∑ΔADC，基于相同的原理，可以设置多个反馈回路，以产生多个噪音零点，当零点与输入信号频率相一致时，以提高输出信号信噪比。
反馈系数g(1)、g(2)的大小决定了量化噪音零点频率，当反馈系数增大时，量化噪音零点频率会增加，当反馈系数减小时，量化噪音零点频率降低。如图8所示，图8是图7所示的高精度模数转换装置的一个信号输出频谱，显示了低频噪音零点频率低于信号频率，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率不重合的情况。如果反馈系数g(1)太小，量化噪音零点频率低于信号频率，使得噪音没在信号附近得到很好的消除，信噪比增加不明显。且由于g(1)和g(2)不匹配，从输出信号的频谱看，有两个量化噪音零点。
图9是图8所示的信号的输出频谱，但显示了低频噪音零点频率高于信号频率，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率不重合的情况。这是由于g(1)太大，导致了量化噪音零点频率高于信号频率。且由于g(1)和g(2)不匹配，从输出信号的频谱看，有两个量化噪音零点。
图10是图8所示的信号的输出频谱，但显示了低频噪音零点频率与信号频率一致，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率不重合的情况。当g(1)大小合适时，量化噪音零点频率与信号频率一致。但是由于g(1)和g(2)不匹配，从输出信号的频谱看，仍然有两个量化噪音零点。
图11是图8所示的信号的输出频谱，但显示了低频噪音零点频率与信号频率一致，且低频噪音零点频率和高频噪音零点频率重合的情况。增大g(1)以提高量化噪音低频噪音零点频率，减小g(2)以降低量化噪音高频噪音零点频率，最终两个零点可以重合，这大大提高了信噪比。使得该∑ΔADC可以转换更高精度和更高频率的信号。
本发明还提供了一种提高模数转换精度的方法，用于在Sigma-Delta模数转换系统中提高系统的精度和动态范围。该方法包括，在Sigma-Delta模数转换系统中，设置能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。也就是设置级间反馈回路以在信号附近引进量化噪音的零点。级间反馈回路可以由电容阵列构成，反馈回路的反馈系数确定了量化噪音零点的频率。
所述级间反馈回路配置为由后一级的积分器的输出端连接到前一级的加减器的输入端而构成。另外，还可以设置多个反馈回路。
对于三阶∑ΔADC，所述级间反馈回路由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成。
对于四阶∑ΔADC，所述二个级间反馈回路，第一个级间反馈回路由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成。第二个级间反馈回路由第四级的积分器的输出端连接到第三级的加减器的输入端而构成。
Claims (12)
1.一种高精度模数转换装置，其为Sigma-Delta模数转换装置，所述模数转换装置的每一级包括放大器、加减器、积分器，其特征在于，包括能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。
2.根据权利要求1所述的高精度模数转换装置，其特征在于，所述级间反馈回路的反馈系数能够由可控制的电容阵列确定。
3.根据权利要求2所述的高精度模数转换装置，其特征在于，所述级间反馈回路由后一级的积分器的输出端连接到前一级的加减器的输入端而构成。
4.根据权利要求3所述的高精度模数转换装置，其特征在于，所述高精度模数转换装置为三阶Sigma-Delta模数转换装置，所述级间反馈回路由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成。
5.根据权利要求3所述的高精度模数转换装置，其特征在于，所述高精度模数转换装置为四阶Sigma-Delta模数转换装置，所述级间反馈回路包括第一个级间反馈回路和第二个级间反馈回路，所述第一个级间反馈回路由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成，所述第二个级间反馈回路由第四级的积分器的输出端连接到第三级的加减器的输入端而构成。
6.根据权利要求5所述的高精度模数转换装置，其特征在于，所述第一个级间反馈回路和第二个级间反馈回路使得所述量化噪音零点频率和信号频率相重合。
7.一种提高模数转换精度的方法，其特征在于，在Sigma-Delta模数转换装置中，设置能够产生量化噪音零点的级间反馈回路，所述级间反馈回路设置在所述模数转换装置的不同级别之间。
8.根据权利要求7所述的提高模数转换精度的方法，其特征在于，所述级间反馈回路的反馈系数能够由可控制的电容阵列确定。
9.根据权利要求8所述的提高模数转换精度的方法，其特征在于，所述级间反馈回路配置为由后一级的积分器的输出端连接到前一级的加减器的输入端而构成。
10.根据权利要求9所述的提高模数转换精度的方法，其特征在于，所述高精度模数转换装置为三阶Sigma-Delta模数转换装置，所述级间反馈回路配置为由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成。
11.根据权利要求9所述的提高模数转换精度的方法，其特征在于，所述高精度模数转换装置为四阶Sigma-Delta模数转换装置，所述级间反馈回路配置为包括第一个级间反馈回路和第二个级间反馈回路，所述第一个级间反馈回路配置为由第二级的积分器的输出端连接到第一级的加减器的输入端而构成，所述第二个级间反馈回路配置为由第四级的积分器的输出端连接到第三级的加减器的输入端而构成。
12.根据权利要求11所述的提高模数转换精度的方法，其特征在于，所述第一个级间反馈回路和第二个级间反馈回路配置为使得所述量化噪音零点频率和信号频率相重合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310078567.6A CN104052481B (zh) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | 高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310078567.6A CN104052481B (zh) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | 高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104052481A true CN104052481A (zh) | 2014-09-17 |
| CN104052481B CN104052481B (zh) | 2018-04-06 |
Family
ID=51504897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310078567.6A Active CN104052481B (zh) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | 高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104052481B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1057741A (zh) * | 1990-04-06 | 1992-01-08 | 通用电气公司 | 低元件灵敏度三阶∑-δ过抽样模/数转换网络 |
| EP1193880A2 (en) * | 2000-09-29 | 2002-04-03 | University College Cork-National University of Ireland, Cork | A subranging sigma delta modulator |
| CN101553987A (zh) * | 2006-12-08 | 2009-10-07 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于中频信号的变换的带通∑-△模数转换器 |
| CN101599767A (zh) * | 2009-06-19 | 2009-12-09 | 中国科学院微电子研究所 | 一种四阶单环局部负反馈Sigma-Delta调制器 |
| CN102739254A (zh) * | 2011-04-02 | 2012-10-17 | 苏州启芯信息技术有限公司 | 一种sigma-delta型模数转换器 |
| CN102832948A (zh) * | 2012-09-07 | 2012-12-19 | 复旦大学 | 可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器 |
-
2013
- 2013-03-12 CN CN201310078567.6A patent/CN104052481B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1057741A (zh) * | 1990-04-06 | 1992-01-08 | 通用电气公司 | 低元件灵敏度三阶∑-δ过抽样模/数转换网络 |
| EP1193880A2 (en) * | 2000-09-29 | 2002-04-03 | University College Cork-National University of Ireland, Cork | A subranging sigma delta modulator |
| CN101553987A (zh) * | 2006-12-08 | 2009-10-07 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于中频信号的变换的带通∑-△模数转换器 |
| CN101599767A (zh) * | 2009-06-19 | 2009-12-09 | 中国科学院微电子研究所 | 一种四阶单环局部负反馈Sigma-Delta调制器 |
| CN102739254A (zh) * | 2011-04-02 | 2012-10-17 | 苏州启芯信息技术有限公司 | 一种sigma-delta型模数转换器 |
| CN102832948A (zh) * | 2012-09-07 | 2012-12-19 | 复旦大学 | 可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104052481B (zh) | 2018-04-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9312840B2 (en) | LC lattice delay line for high-speed ADC applications | |
| US9768793B2 (en) | Adaptive digital quantization noise cancellation filters for mash ADCs | |
| CN107852164B (zh) | 抑制前馈δς转换器中的信号传递函数峰化 | |
| CN103297057B (zh) | Sigma-Delta调变器及将模拟信号转换为数字信号的方法 | |
| CN102025378B (zh) | 共用运算放大器的多通道∑-△转换电路及其辅助方法 | |
| EP2930850B1 (en) | Cancellation of feedback digital-to-analog converter errors in multi-stage delta-sigma analog-to-digital converters | |
| US9019136B2 (en) | Sigma-delta modulators with high speed feed-forward architecture | |
| CN106027059A (zh) | Δς 调制器 | |
| EP1116332A1 (en) | Variable order sigma - delta modulator | |
| US9118342B2 (en) | Low power excess loop delay compensation technique for delta-sigma modulators | |
| CN104143988A (zh) | Sigma-Delta调制器 | |
| CN103067019B (zh) | 单级二阶前馈Sigma-Delta调制方法及调制器 | |
| KR20150084267A (ko) | 델타-시그마 변조기 | |
| KR102086607B1 (ko) | 2차 루프 필터 및 그것을 포함하는 다차 델타 시그마 변조기 | |
| CN104716959B (zh) | 模数转换装置与模数转换方法 | |
| CN102687397A (zh) | 谐振器、δς调制器及无线通信装置 | |
| CN203233398U (zh) | 高精度模数转换装置 | |
| CN104052481A (zh) | 高精度模数转换装置和提高模数转换精度的方法 | |
| CN107769790A (zh) | Δ‑σ调制器 | |
| EP1483834A1 (en) | Delta-sigma modulator with feed-forward path | |
| CN204559547U (zh) | 一种高二阶级联结构Sigma-Delta调制器系统 | |
| CN106788443B (zh) | 一种改进型的MASH结构Sigma-Delta调制器 | |
| US10560114B2 (en) | Analog to digital converters with oversampling | |
| CN102244517B (zh) | 共享的交换电容式积分器及三角积分调变器及运作方法 | |
| US9525431B1 (en) | Feed forward sigma-delta ADC modulator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |