CN106209110A - 一种德尔塔‑西格玛模数转换器 - Google Patents

一种德尔塔‑西格玛模数转换器 Download PDF

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Abstract

一种德尔塔‑西格玛模数转换器，包括一个开关电容采样保持电路、三个斩波电路、一个放大器、量化器和两对反馈电容C2和C3；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‑；开关电容采样保持电路的输入端连接输入信号为Vin+/Vin‑；三个斩波电路分别设为第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路；第一斩波电路的第一端与开关电容采样保持电路的输出端连接，连接节点设为X1和X2；第一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二斩波电路的第一端，连接节点设为X5和X6；第二斩波电路的第二端与量化器的输入端连接，连接节点设为X7和X8；第一对反馈电容C2分别连接X1/X5和X2/X6，第二对反馈电容C3分别连接X3/X7和X4/X8；第三斩波电路的输入端与量化器的输出端连接，第三斩波电路的输出端即为输出的数字信号Vout。

Description

一种德尔塔-西格玛模数转换器
技术领域
本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，尤其涉及一种德尔塔-西格玛模数转换器。
背景技术
DeltaSigma 即大写的希腊字母Σ-Δ。在数学和物理学中，大写的希腊字母德尔塔 delta (Δ)代表差或变化，大写的希腊字母西格玛 sigma (Σ)代表求和。有时称其为SigmaDelta，或 Σ-Δ。德尔塔-西格玛是一种ADC架构，由一位ADC和滤波电路组成，通过对输入信号进行采样，并提供噪声成形滤波获得高分辨率数字输出，是一种低成本架构。德尔塔-西格玛或Σ-Δ模数转换器具有高分辨率、高集成度、成本低和使用方便的特点，近年来得到广泛的应用。其应用于高精度模拟-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，德尔塔-西格玛模数转换器需要处理诸如心电波，脑电波等低频信号。所以需要德尔塔-西格玛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，传统的斩波德尔塔-西格玛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。
现有技术中典型的斩波德尔塔-西格玛模数转换器结构如图1所示。Vin信号先通过开关电容采样保持电路进行采样，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。其中，放大器反馈电路由两个斩波电路、放大器及两个反馈电容组成。斩波电路位于放大器两端，假设放大器反馈电路的输入信号频率fin为低频，德尔塔-西格玛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。
发明内容
为了解决现有技术中存在的直流失调和闪烁噪声等问题，本发明提出了一种德尔塔-西格玛模数转换器及实现方案，此种德尔塔-西格玛模数转换器相比传统德尔塔-西格玛模数转换器，可以有效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。本发明的高通斩波德尔塔-西格玛模数转换器是通过以下技术方案来实现的：
如图2所示，本发明的德尔塔-西格玛模数转换器是在如图1所示的现有的德尔塔-西格玛模数转换器基础上，通过改变电路连接方式，增加一对反馈电容和及斩波电路，并由此改变电路通路中的通带特性，有效消除电路中开关电容的直流失调和闪烁噪声。此高通斩波德尔塔-西格玛模数转换器，输入信号Vin经过开关电容采样保持电路（C1,Φ1,Φ2）进行采样，采样信号由输入点X1/X2输入第一斩波电路，同时将X1/X2的信号经由一对反馈电容C2连接至放大器的输出点X5/X6，第一斩波电路的输出点X3/X4连接至放大器的一对输入点，同时将X3/X4的信号经由一对反馈电容C3连接至第二斩波电路的输出点X7/X8，第二斩波电路的输出点X5/X6连接至放大器的一对输出点，X7/X8的信号经过量化器和第三斩波电路，产生最终的数字输出信号Vout。
本发明技术方案是，一种德尔塔-西格玛模数转换器，包括一个开关电容采样保持电路、三个斩波电路、一个放大器、量化器和两对反馈电容C2和C3；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-；开关电容采样保持电路的输入端连接输入信号为Vin+/Vin-；三个斩波电路分别设为第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路；第一斩波电路的第一端与开关电容采样保持电路的输出端连接，连接节点设为X1和X2；第一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二斩波电路的第一端，连接节点设为X5和X6；第二斩波电路的第二端与量化器的输入端连接，连接节点设为X7和X8；第一对反馈电容C2分别连接X1/X5和X2/X6，第二对反馈电容C3分别连接X3/X7和X4/X8；第三斩波电路的输入端与量化器的输出端连接，第三斩波电路的输出端即为输出的数字信号Vout。
本发明的优点在于：
在现有技术的斩波德尔塔-西格玛模数转换器的基础上，通过改变电路连接方式，增加一对反馈电容和及斩波电路，尤其是两对交叉连接的反馈电容和增加的一个斩波电路改变了德尔塔-西格玛模数转换电路通路中的通带特性，有效消除电路中开关电容的直流失调和闪烁噪声。该模数转换器特别适用于高精度低频的应用场合。
附图说明
图1是现有技术中的德尔塔-西格玛模数转换器电路示意图；
图2是本发明的德尔塔-西格玛模数转换器电路示意图。
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：
首先对本发明电路结构相关的斩波电路做简单介绍。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，通常所见的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，德尔塔-西格玛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，从而达到分离噪声的目的。
本发明的斩波德尔塔-西格玛模数转换器如图2所示，在现有技术的斩波德尔塔-西格玛模数转换器的基础上，通过改变电路连接方式，增加一对反馈电容和及斩波电路，尤其是两对交叉连接的反馈电容和增加的一个斩波电路改变了德尔塔-西格玛模数转换电路通路中的通带特性，有效消除电路中开关电容的直流失调和闪烁噪声。该模数转换器特别适用于高精度低频的应用场合。
本高通斩波德尔塔-西格玛模数转换器，输入信号Vin经过开关电容采样保持电路（C1,Φ1,Φ2）进行采样，采样信号由输入点X1/X2输入第一斩波电路，同时将X1/X2的信号经由一对反馈电容C2连接至放大器的输出点X5/X6，第一斩波电路的输出点X3/X4连接至放大器的一对输入点，同时将X3/X4的信号经由一对反馈电容C3连接至第二斩波电路的输出点X7/X8，第二斩波电路的输出点X5/X6连接至放大器的一对输出点，X7/X8的信号经过量化器和第三斩波电路，产生最终的数字输出信号Vout。
如图2所示，设定频率为fin的输入信号为低频信号，采样频率为fs的采样信号为高频信号；信号经过开关电容采样保持电路后产生了直流失调和闪烁噪声，该信号同样为高频信号，但其频率小于采样信号，此时信号位于X1/X2处。采样信号、输入信号、直流失调和闪烁噪声信号经过第一斩波电路后，输入信号被调制为高频，而采样信号、直流失调和闪烁噪声信号被调制为低频，信号位于X3/X4处。信号经过放大器放大，至X5/X6处，此时放大器产生了相应的直流失调和闪烁噪声信号。由于放大器为反相放大作用，使X3/X4与X5/X6两处的信号相位相反，此时，放大器产生的直流失调和闪烁噪声信号与开关电容采样保持电路产生了的直流失调和闪烁噪声信号部分反相抵消，有效降低了对电路性能的影响。由于X1/X2处的输入信号为低频，其经过第一对反馈电容C2后到达X5/X6处，经过第二斩波电路后被调制为高频信号；X3/X4处的输入信号为高频，其经过第二对反馈电容C3后到达X7/X8处，此时仍为高频信号；上述位于X7/X8处的两个高频信号叠加，此时，实现了有用信号的放大，直流失调和闪烁噪声信号的抵消。有用信号经过量化器产生数字输出信号，最后经过第三斩波电路产生最终的数字输出信号。因此，本发明的德尔塔-西格玛模数转换器有效的将有用信号分离出来，并讲电路中的开关电路与放大器产生的直流失调和闪烁噪声相互抵消，提高了德尔塔-西格玛模数转换器的转换精度，有利于在低频领域广泛使用。

Claims (1)

1.一种德尔塔-西格玛模数转换器，其特征在于：包括一个开关电容采样保持电路、三个斩波电路、一个放大器、一个量化器和两对反馈电容；
所述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-；
所述开关电容采样保持电路的输入端连接所述输入信号Vin+/Vin-；
所述三个斩波电路分别设为第一斩波电路、第二斩波电路和第三斩波电路；所述第一斩波电路的第一端与所述开关电容采样保持电路的输出端连接，连接节点分别为X1和X2；所述第一斩波电路的第二端与所述放大器的输入端连接，连接节点分别为X3和X4；所述放大器的输出端连接所述第二斩波电路的第一端，连接节点分别为X5和X6；所述第二斩波电路的第二端与所述量化器的输入端连接，连接节点分别为X7和X8；
所述两对反馈电容分别为第一对反馈电容C2和第二对反馈电容C3，所述第一对反馈电容C2分别连接所述X1/X5连接节点和所述X2/X6连接节点，所述第二对反馈电容C3分别连接所述X3/X7连接节点和所述X4/X8连接节点；所述第三斩波电路的输入端与所述量化器的输出端连接，所述第三斩波电路的输出端即为输出的数字信号Vout。
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