CN108712172A

CN108712172A - 一种增量型Sigma-Delta数模转换器

Info

Publication number: CN108712172A
Application number: CN201810834616.7A
Authority: CN
Inventors: 魏榕山; 林家城; 郑辉方
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: CN108712172B

Abstract

本发明涉及一种增量型Sigma‑Delta数模转换器。整体电路采用的开关电容结构来实现，电路运用相关双采样技术来减小失调和误差，由两级积分器组成，且第一级积分器采用增益自举运放。本发明电路结构清晰简单，具有高精度、低功耗的优点。

Description

一种增量型Sigma-Delta数模转换器

技术领域

本发明涉及一种增量型Sigma-Delta数模转换器。

背景技术

随着数字信号处理技术的进步，当代社会已经进入了数字化时代。与模拟信号相比，数字信号的运算、存储以及传输过程都可以更加方便的实现，因此各种数字化设备不断丰富着人们的生活。然而自然界中所存在的信号通常是模拟信号，如光信号、声音信号、热信号等等。充分利用这些模拟信号来实现智能化的生活环境是人类不断努力的方向，例如发明了电话、手机来实现远距离通讯；开发光控照明系统可以在夜幕降临时实现自动照明；人们也通过合理接收热信号设计了温度监测器，电子体温计等产品。这些电子仪器中都集成了模数转换器模块（ADC），来实现模拟信号到数字信号的转换过程。

目前现代信号处理系统正处于飞速发展的阶段，输入信号的频率范围越来越宽，从低频甚至是DC信号到超高频信号都有需求。不仅如此，对于各种输入数据的转换精度、处理速度等要求也越来越高，因此传统的ADC电路结构不再能满足复杂多变的应用需求。在传感器应用领域，特别是各种仪器仪表测量领域和温湿度测量领域，其系统输入的模拟信号量通常为低频信号，甚至是直流信号，输入频率往往只有几个Hz大小。此时，模数转换器中失调电压、1/f噪声等非理想因素的影响将更为突出，会极大地降低ADC转换精度。传统的Sigma-Delta ADC由于较常工作在高频输入信号条件下，因此其对1/f噪声等的抑制效果并不强，无法应用于温湿度测量领域，因此电路设计主要考虑降低失调和热噪声等因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增量型Sigma-Delta数模转换器，该数模转换器电路结构清晰简单，具有高精度、低功耗的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种增量型Sigma-Delta数模转换器，包括差分信号的正输入连接电路和差分信号的负输入连接电路；所述差分信号的正输入连接电路为：差分信号的正输入经第一开关、电容C_S1、C_cds与第二开关的一端、第一运算放大器的反相输入端连接，差分信号的正输入还经第三开关、电容C₁与电容C₂、C₃的一端、第四开关的一端、比较器的反相输入端连接，第三开关与电容C₁的连接处之间经第五开关连接至偏置电压源，第一开关与电容C_S1的连接处之间经第六开关后，分别经第七开关和第八开关连接至基准电压源正极和基准电压源负极，电容C_S1与C_cds的连接处之间还经第九开关连接至偏置电压源，电容C_S1与C_cds的连接处之间还经第十开关与电容C_int1的一端连接，第二开关的另一端与电容C_int1的一端连接，电容C_int1的另一端与第一运算放大器的正极输出端连接，电容C_int1的另一端还经第十一开关与电容C_S2的一端、电容C₂的另一端、第十二开关的一端连接，电容C_S2的另一端与第十三开关的一端连接，第十二开关的另一端与第十三开关的另一端相连接至偏置电压源，电容C_S2的另一端还经第十四开关与第二运算放大器的反相输入端、电容C_int2的一端连接，电容C_int2的另一端与第二运算放大器的正极输出端连接，电容C_int2的另一端还经第十五开关与电容C₃的另一端、第十六开关的一端连接，第十六开关的另一端与第四开关的另一端相连接至偏置电压源；所述差分信号的负输入连接电路与差分信号的正输入连接电路相对应；其中，第二、第九、第十三开关由开关控制信号S1控制，第四、第十、第十四开关由开关控制信号S2控制，第一、第三、第十一、第十五开关由开关控制信号S1d控制，第五、第六、第十二、第十六开关由开关控制信号S2d控制，第七开关由比较器负极输出信号控制，第八开关由比较器正极输出信号控制，开关控制信号S1、S2为一对非交叠时钟信号，开关控制信号S1d、S2d分别为开关控制信号S1、S2的延迟时钟信号；所述数模转换器由差分信号的正输入连接电路和差分信号的负输入连接电路组成分别由第一运算放大器和第二运算放大器构成的第一级积分器和第二级积分器。

在本发明一实施例中，所述第一运算放大器采用增益自举结构实现，主运放和增益辅助级运放分别实现70dB增益。

在本发明一实施例中，所述第一运算放大器包括运放偏置电路、与该运放偏置电路链接折叠套筒式运放结构电路，运放偏置电路由Bandgap电路提供基准电流。

在本发明一实施例中，该数模转换器的控制方式为：第一级积分器在S2相位进行采样，在S1相位进行积分；第二级积分器在S1相位时进行采样，S2相位时积分，第二级积分器与第一级积分器输出相差半个时钟相位；而求和电容部分在S1相位进行采样，并直接将求和结果输入比较器，在S2相位仅仅将电容上的电荷清零。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明数模转换器电路结构清晰简单，具有高精度、低功耗的优点；本发明在温湿度传感器领域有这极高的应用可靠性和巨大的应用空间。

附图说明

图1为增量型Sigma-Delta数模转换器的系统框架图。

图2为增量型Sigma-Delta数模转换器的具体电路结构图。

图3为运放OTA1的电路结构图。

图4为芯片输出码流频谱仿真图。

图5为不同参考电压下的输入－输出电压曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种增量型Sigma-Delta数模转换器，包括差分信号的正输入连接电路和差分信号的负输入连接电路；所述差分信号的正输入连接电路为：差分信号的正输入经第一开关、电容C_S1、C_cds与第二开关的一端、第一运算放大器的反相输入端连接，差分信号的正输入还经第三开关、电容C₁与电容C₂、C₃的一端、第四开关的一端、比较器的反相输入端连接，第三开关与电容C₁的连接处之间经第五开关连接至偏置电压源，第一开关与电容C_S1的连接处之间经第六开关后，分别经第七开关和第八开关连接至基准电压源正极和基准电压源负极，电容C_S1与C_cds的连接处之间还经第九开关连接至偏置电压源，电容C_S1与C_cds的连接处之间还经第十开关与电容C_int1的一端连接，第二开关的另一端与电容C_int1的一端连接，电容C_int1的另一端与第一运算放大器的正极输出端连接，电容C_int1的另一端还经第十一开关与电容C_S2的一端、电容C₂的另一端、第十二开关的一端连接，电容C_S2的另一端与第十三开关的一端连接，第十二开关的另一端与第十三开关的另一端相连接至偏置电压源，电容C_S2的另一端还经第十四开关与第二运算放大器的反相输入端、电容C_int2的一端连接，电容C_int2的另一端与第二运算放大器的正极输出端连接，电容C_int2的另一端还经第十五开关与电容C₃的另一端、第十六开关的一端连接，第十六开关的另一端与第四开关的另一端相连接至偏置电压源；所述差分信号的负输入连接电路与差分信号的正输入连接电路相对应；其中，第二、第九、第十三开关由开关控制信号S1控制，第四、第十、第十四开关由开关控制信号S2控制，第一、第三、第十一、第十五开关由开关控制信号S1d控制，第五、第六、第十二、第十六开关由开关控制信号S2d控制，第七开关由比较器负极输出信号控制，第八开关由比较器正极输出信号控制，开关控制信号S1、S2为一对非交叠时钟信号，开关控制信号S1d、S2d分别为开关控制信号S1、S2的延迟时钟信号；所述数模转换器由差分信号的正输入连接电路和差分信号的负输入连接电路组成分别由第一运算放大器和第二运算放大器构成的第一级积分器和第二级积分器。

所述第一运算放大器采用增益自举结构实现，主运放和增益辅助级运放分别实现70dB增益。所述第一运算放大器包括运放偏置电路、与该运放偏置电路链接折叠套筒式运放结构电路，运放偏置电路由Bandgap电路提供基准电流。

本发明的数模转换器的控制方式为：第一级积分器在S2相位进行采样，在S1相位进行积分；第二级积分器在S1相位时进行采样，S2相位时积分，第二级积分器与第一级积分器输出相差半个时钟相位；而求和电容部分在S1相位进行采样，并直接将求和结果输入比较器，在S2相位仅仅将电容上的电荷清零。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明设计了一种二阶CIFF结构增量式Sigma-Delta ADC结构，实现了一款应用于温湿度传感器领域的ADC。电路运用相关双采样技术来减小失调和误差，第一级积分器采用增益自举运放，增益可达145dB，数字滤波器采用sinc^L结构。芯片基于SMIC 0.18µm工艺仿真并流片，芯片有效面积0.211mm²。测试结果表明，ADC输出信噪比SNR为99.8dB，达到16.5bit有效精度，整个调制器功耗228µW，品质因数FOM_w为4.1pJ/conv。

二阶CIFF结构增量式Sigma-Delta ADC的系统框图如图1所示，其中V_in为输入电压，V_i1为第一级积分器输出电压，V_i2为第二级积分器输出电压，reset为复位信号，d_i为比较器输出，D_out为实际输出结果，N为过采样率。其工作在离散模式（single-shot）下：即电路上电，积分器复位，完成一次转换输出，产生一个读数，随后电路进入休眠状态以降低功耗。就这样一直连续转换若干个周期，再通过数字滤波器得到当前的输出值。

图2是本发明中设计的具体电路图，图中的开关控制信号S1和S2是一对非交叠时钟，S1d、S2d分别是S1、S2的延时时钟，OTA1和OTA2是运算放大器，其中OTA1的增益高达145dB。调制器的第一级在S2相位进行采样，在S1相位进行积分。第二级在S1相位时进行采样，S2相位时积分，与第一级积分器输出相差半个时钟相位。而求和电容部分在S1相位进行采样，并直接将求和结果输入比较器，在S2相位仅仅将电容上的电荷清零。电路工作在低频段，起主要作用的噪声是1/f噪声和失调电压。失调电压可以被看作为低频输入参考噪声，为了消除它，我们在这里采用相关双采样技术（CDS），在采样相位S1，运放噪声和开关噪声被存储在电容C_cds上，随后在S2相位将噪声消除。为了充分抑制低频噪声，满足精度要求，第一级运放需要达到140dB增益，第二级运放实现80dB增益。普通折叠式共源共栅结构的放大能力已经不能满足第一级运放的要求。因此，第一级运放OTA1采用增益自举结构实现，主运放和增益辅助级运放分别实现70dB增益，其电路结构如图3所示，虚线框内为运放偏置电路，基准电流IB由Bandgap电路产生。虚线框外为折叠套筒式运放结构。M₂、M₃为运放差分输入对管，采用PMOS管作为输入相比于NMOS管具有更小的1/f噪声，并且能提供更大的单位增益频率。M₁、M₆、M₇和M₁₂、M₁₃为电流源。M₈、M₉以及M₁₀、M₁₁组成共源共栅结构。PMOS管M₄、M₅的栅电压为共模反馈控制端。其中运放输出端的补偿电容Cc是为了改善运放的建立特性。运放otan、otap为增益辅助级。共模反馈采用开关电容结构（SC-CMFB）的共模反馈电路。

在数字滤波器方面，对于直流或者低频输入，抑制环境噪声的干扰十分重要。考虑到各种非理想因素对电路性能的影响，本文采用一种高性能滤波电路——sinc^L滤波器。sinc^L滤波器可以很好地抑制周期性噪声干扰，起到优化调制器性能的作用。

本发明的增量型数模装换器的仿真结果如图4所示，仿真结果表明仿真波形显示芯片实现了2阶噪声整形功能，图中低频噪声能量水平在-120dB左右，其可以有效地处理低频甚至是直流信号。通过MATLAB分析得到调制器信噪比SNR和有效位数ENOB分别为99.8dB、16.5bit。图5为同一块芯片在不同基准电压下的线性度仿真情况。可以看出尽管基准电压不同，线性度和输出精度依旧良好。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种增量型Sigma-Delta数模转换器，其特征在于，包括差分信号的正输入连接电路和差分信号的负输入连接电路；所述差分信号的正输入连接电路为：差分信号的正输入经第一开关、电容C_S1、C_cds与第二开关的一端、第一运算放大器的反相输入端连接，差分信号的正输入还经第三开关、电容C₁与电容C₂、C₃的一端、第四开关的一端、比较器的反相输入端连接，第三开关与电容C₁的连接处之间经第五开关连接至偏置电压源，第一开关与电容C_S1的连接处之间经第六开关后，分别经第七开关和第八开关连接至基准电压源正极和基准电压源负极，电容C_S1与C_cds的连接处之间还经第九开关连接至偏置电压源，电容C_S1与C_cds的连接处之间还经第十开关与电容C_int1的一端连接，第二开关的另一端与电容C_int1的一端连接，电容C_int1的另一端与第一运算放大器的正极输出端连接，电容C_int1的另一端还经第十一开关与电容C_S2的一端、电容C₂的另一端、第十二开关的一端连接，电容C_S2的另一端与第十三开关的一端连接，第十二开关的另一端与第十三开关的另一端相连接至偏置电压源，电容C_S2的另一端还经第十四开关与第二运算放大器的反相输入端、电容C_int2的一端连接，电容C_int2的另一端与第二运算放大器的正极输出端连接，电容C_int2的另一端还经第十五开关与电容C₃的另一端、第十六开关的一端连接，第十六开关的另一端与第四开关的另一端相连接至偏置电压源；所述差分信号的负输入连接电路与差分信号的正输入连接电路相对应；其中，第二、第九、第十三开关由开关控制信号S1控制，第四、第十、第十四开关由开关控制信号S2控制，第一、第三、第十一、第十五开关由开关控制信号S1d控制，第五、第六、第十二、第十六开关由开关控制信号S2d控制，第七开关由比较器负极输出信号控制，第八开关由比较器正极输出信号控制，开关控制信号S1、S2为一对非交叠时钟信号，开关控制信号S1d、S2d分别为开关控制信号S1、S2的延迟时钟信号；所述数模转换器由差分信号的正输入连接电路和差分信号的负输入连接电路组成分别由第一运算放大器和第二运算放大器构成的第一级积分器和第二级积分器。

2.根据权利要求1所述的一种增量型Sigma-Delta数模转换器，其特征在于，所述第一运算放大器采用增益自举结构实现，主运放和增益辅助级运放分别实现70dB增益。

3.根据权利要求2所述的一种增量型Sigma-Delta数模转换器，其特征在于，所述第一运算放大器包括运放偏置电路、与该运放偏置电路链接折叠套筒式运放结构电路，运放偏置电路由Bandgap电路提供基准电流。

4.根据权利要求1所述的一种增量型Sigma-Delta数模转换器，其特征在于，该数模转换器的控制方式为：第一级积分器在S2相位进行采样，在S1相位进行积分；第二级积分器在S1相位时进行采样，S2相位时积分，第二级积分器与第一级积分器输出相差半个时钟相位；而求和电容部分在S1相位进行采样，并直接将求和结果输入比较器，在S2相位仅仅将电容上的电荷清零。