CN112994695A - 一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器及数字处理单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高速、低功耗Sigma‑Delta模数转换器及数字处理单元。模数转换器包括第一模拟采样模块和第二数字量化模块以及基准电压源；第一模拟采样模块包括第一模电信号转换电路、第一抗混叠滤波器、第一采样保持电路以及Sigma‑Delta调制器；第二数字量化模块包括第二数字滤波器、第二降采样滤波器以及数字输出电路；基准电压源连接Sigma‑Delta调制器，为其提供基准电压；基准电压源包括启动电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路以及后置反馈电路。所述数字处理单元包括调节器，用于为基准电压源提供前置控制信号并使得所述基准电压源输出的基准电压值可变化。
Description
技术领域
本发明属于高性能模数转换器技术领域，尤其涉及一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器及数字处理单元。
背景技术
在现实世界中，所有自然出现的信号本质上都是模拟信号。过去三十多年里，由于超大规模集成电路(Very large scale integration,VLSI)的出现，使得可以在数字域里实现比模拟域里更高精度、更高可靠性和更低价格的各种信号处理功能。数字信号抑制噪声能力远大于模拟信号，在模拟信号的存储和传输过程中，噪声和失真会被累积，从而对信号的处理产生不良的效果。而在数字域里，数字信号可以无损地存储和传输。在电信、语音、视频、计算机以及其它许多场合下，为了利用数字信号处理的这些优点，常把模拟信号转换为数字信号形式。
在当今典型的数字信号处理(Digital signal processing,DSP)系统中，通过ADC把模拟信号转换为数字信号，然后数字处理器对数字信号进行处理，被处理后的信号再经过DAC转换为模拟信号。数字信号在幅度和时间上是离散的，而模拟信号在幅度和时间上是连续的。因此，模数转换包括两个过程：采样过程是使信号在时间上离散，量化过程是使信号在幅度上离散。ADC有两个重要的性能指标：速度和精度。速度所反映的是离散化在时间上有多快，而精度所反映的是离散化在幅度上有多精确。
Sigma-Delta调制器由于具有高精度的优势，在高保真音频通讯、CD播放器、大型音乐会、车载音响等领域都得到了广泛应用，其市场需求也在不断扩大。在多位量化器和高阶调制器设计技术的不断成熟下，又加速了Sigma-Delta数据转换器在频率综合、视频处理、图像综合等消费电子领域的发展。
CN202011093142.9提出一种低功耗的逐次逼近型模数转换电路模块，包括比较器、逻辑比较控制及输出模块、采样开关和逐次逼近电容模块；比较器的反相输入端通过采样开关接待转换电压，其同相输入端通过逐次逼近电容模块接逻辑比较控制及输出模块，其输出端接逻辑比较控制及输出模块；闭合采样开关后，对待转换模拟电压进行采样，保存在比较器的反相输入端，而后比较器将比较结果转送到逻辑比较控制及输出模块，逻辑比较控制及输出模块根据比较器的比较结果控制逐次逼近电容模块电路将不同的电压传递给比较器的同相输入端，最后不断调整电容的控制，最终实现电压编码的输出；该模数转换电路模块能降低能耗、减少模块中的电容数量、从而减小了芯片面积。
欧洲专利公开文本EP20200171605则提出用于连续时间SIGMA-DELTA模数转换器的亚稳性整形方法，所述方法包括使用第一反馈环路来补偿与所述第一反馈环路的第一量化器和第一DAC相关联的第一额外环路延迟(ELD)。所述第一量化器将第一量化器输出提供给第二反馈环路。第二反馈环路补偿与所述第二反馈环路的第二量化器和第二DAC相关联的第二ELD。所述第二量化器减小与所述第一量化器输出相关联的亚稳定性误差。
然而，在现代超大规模集成电路中，要求的供电电压更低，尺寸更小，这也给Sigma-Delta模数转换器的设计提出了更高的要求与挑战；此外，随着半导体集成电路制造工艺的不断发展，片上系统(SOC)已成为设计技术发展的主流，并在手持音频设备和传感器等领域得到了广泛的应用众所周知，SOC设计是基于大量可重用的知识产权模块(IP)基础上。在这些IP中，模数转换器(ADC)因处于连接模拟和数字信号的桥梁位置而受到关注。由于手持设备中的电池容量有限，又对音质等有较高要求，所以ADC的设计重点在于低功耗和高转换精度以及响应速度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高速、低功耗Sigma-Delta模数转换器及数字处理单元。模数转换器包括第一模拟采样模块和第二数字量化模块以及基准电压源；第一模拟采样模块包括第一模电信号转换电路、第一抗混叠滤波器、第一采样保持电路以及Sigma-Delta调制器；第二数字量化模块包括第二数字滤波器、第二降采样滤波器以及数字输出电路；基准电压源连接Sigma-Delta调制器，为其提供基准电压；基准电压源包括启动电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路以及后置反馈电路。所述数字处理单元包括调节器，用于为基准电压源提供前置控制信号并使得所述基准电压源输出的基准电压值可变化。
具体而言，在第一个方面，本发明提出一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，所述模数转换器包括第一模拟采样模块和第二数字量化模块以及基准电压源；
所述第一模拟采样模块包括第一模电信号转换电路、第一抗混叠滤波器、第一采样保持电路以及Sigma-Delta调制器；
所述第二数字量化模块包括第二数字滤波器、第二降采样滤波器以及数字输出电路；
其中，所述基准电压源连接所述Sigma-Delta调制器，为所述Sigma-Delta调制器提供基准电压；
所述基准电压源包括启动电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路以及后置反馈电路；
所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路，并接收所述后置反馈电路从所述基准电压源的电压源输出端产生的后置反馈信号；
所述亚阈电流产生电路的输出端分别连接至所述负温度系数电路和正温度系数电路；
所述负温度系数电路和正温度系数电路各自的输出信号经加权电路处理后，作为所述基准电压源的输出信号。
更具体的，所述Sigma-Delta调制器包括电容积分器、量化ADC模块、DWA编码器以及时钟产生电路；
所述电容积分器包括运算放大器、开关、采样电容以及积分电容组成。
在第二个方面，本发明提出一种数字处理单元，所述数字处理单元用于为基准电压源提供前置控制信号，所述基准电压源为前述第一个方面的所述的高速低功耗Sigma-Delta模数转换器提供基准电压；
所述前置控制信号包括第一前置控制信号和第二前置控制信号；
所述第一前置控制信号发送至所述启动电路的输出端，与所述启动电路的输出信号加权后，作为所述亚阈电流产生电路的输入；
所述第二前置控制信号发送至所述亚阈电流产生电路的输出端，与所述亚阈电流产生电路的输出信号加权后，作为所述负温度系数电路和正温度系数电路的输入。
本发明的技术方案能够降低直流失调和低频噪声，达到了提高信噪比的目的；通过开关电容型配合多级运放电路的使用，有效减小了偶次谐波、衬底；通过基准电压源，为调制器提供稳定的基准电压，降低电源噪声，同时达到了提高精度和降低功耗的目的，满足高性能和低功耗的要求；此外，通过数字处理单元调节器调节基准电压源输出，能够满足高性能的不同速度响应。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的一种高速、低功耗Sigma-Delta模数转换器的模块组合架构图
图2是图1中所述模数转换器的模块内部电路结构示意图
图3是图1中所述模数转换器使用的基准电压源的结构示意图
图4是图1中所述模数转换器使用的Sigma-Delta调制器的部分放大器结构电路图
图5是本发明一个实施例的一种数字处理单元为图1中所述基准电压源提供前置控制信号的示意图
图6是图5中所述数字处理单元的具体电路实现图
具体实施方式
参见图1，本发明一个实施例的一种高速、低功耗Sigma-Delta模数转换器的模块组合架构图。
在图1中，所述模数转换器包括第一模拟采样模块和第二数字量化模块以及基准电压源；其中，第一模拟采样模块包括Sigma-Delta调制器。
所述基准电压源连接所述Sigma-Delta调制器，为所述Sigma-Delta调制器提供基准电压。
需要指出的是，本实施例所述的基准电压源，不仅用于提供基准输出所需的电流，也用于产生后续运放所需的四路偏置电压，大大简化了电路和版图设计。
在图1基础上，参见图2。图2是图1中所述模数转换器的模块内部电路结构示意图。
所述第一模拟采样模块包括第一模电信号转换电路、第一抗混叠滤波器、第一采样保持电路以及Sigma-Delta调制器；
所述第二数字量化模块包括第二数字滤波器、第二降采样滤波器以及数字输出电路。
上述各个电路或者组件均是进行ADC设计时本领域技术人员所熟知的，本发明对此不作详细展开，因为这不是本发明的重点。
简单来说，所述第一模电信号转换电路将实测模拟信号通过感应装置变成电流或者电压信号；
所述第一抗混叠滤波器将所述电流或者电压信号中高于所述模数转换器带宽的干扰信号滤除；
所述第一采样保持电路对所述滤除后的时变信号基于预定时间间隔进行取值采样，使信号在一定的时间内保持不变，并利用量化器把保持的电压或者电流信号转成数字码。
所述第二数字滤波器用于滤除高频噪声。
值得指出的是，在图2中，所述Sigma-Delta调制器从所述基准电压源获得可变的基准电压输出，所述基准电压源连接一个数字处理单元，用于调节所述可变基准电压输出，在后续的实施例中将会详细介绍。
接下来介绍本发明的基准电压源，这是本发明的重点之一，具体可参见图3。
在图3中，所述基准电压源包括启动电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路以及后置反馈电路；
所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路，并接收所述后置反馈电路从所述基准电压源的电压源输出端产生的后置反馈信号；
所述亚阈电流产生电路的输出端分别连接至所述负温度系数电路和正温度系数电路；
所述负温度系数电路和正温度系数电路各自的输出信号经加权电路处理后，作为所述基准电压源的输出信号。
作为更具体的介绍，所述第一启动电路包括第一至第十晶体管；
第一晶体管连接至电压源，并且通过源极连接至第四晶体管的栅极以及第七晶体管的源极；第二晶体管的栅极连接至第一晶体管的漏极以及第三晶体管的栅极；第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极、栅极以及第五晶体管的漏极连接；所述第五晶体通过栅极连接至第八晶体管与第十晶体管；所述第五晶体管还通过源极连接至第六晶体管的漏极；所述第六晶体管与第九晶体管通过栅极对接，第九晶体管与所述第十晶体管通过源极对接；
所述启动电路通过所述第十晶体管的栅极接收所述后置反馈电路发送的后置反馈信号；所述启动电路通过所述第七晶体管的栅极与所述亚阈电流产生电路连接。
所述亚阈电流产生电路包括两个PMOS管构成的电流镜电路，产生亚阈工作电流。
所述负温度系数电路包括多个尺寸完全一致的NPOS管，所述多个NPOS管的动作状态相同，同时处于饱和状态或者亚阈状态。
所述正温度系数电路包括级联正温度系数电路和电压调压管；
所述级联正温度系数电路包括两组不同的共栅串联NMOS管，所述两组不同的共栅串联NMOS管的漏极电流均来源于所述亚阈电流产生电路产生的亚阈电流。
作为本发明的另一个重点，图4展现了图1中所述模数转换器使用的Sigma-Delta调制器的部分放大器结构电路图。
总体来说，所述Sigma-Delta调制器包括电容积分器、量化ADC模块、DWA编码器以及时钟产生电路；
所述电容积分器包括运算放大器、开关、采样电容以及积分电容组成。
更具体的，参见图4，所述运算放大器包括第一级运算放大器和第二级运算放大器；
所述第一级运算放大器包括第一至第九MOS管M1-M9以及电容C1和电容C2；
所述第二级运算放大器包括第一第第八MOS管N1-N9以及电容C6；
所述第一级运算放大器通过电容C0、电容C4以及电容C5与所述第二级运算放大器连接。
所述第一级运算放大器的所述晶体管M8通过电容C0连接至所述第二级运算放大器的所述晶体管N1和晶体管N2的源极；所述N1和N2共栅共源；
所述第一级运算放大器的所述晶体管M9通过电容C4连接至所述第二级运算放大器的所述晶体管N7和晶体管N8的源极；所述N7和N8共源；
所述第一级运算放大器的所述晶体管M9和晶体管M8的漏极连接至电容C2,以及所述电容C5，所述电容C5连接至晶体管MN的源极；所述晶体管MN的漏极连接至所述晶体管M3的栅极。
如前所述，图2中，所述Sigma-Delta调制器从所述基准电压源获得可变的基准电压输出，所述基准电压源连接一个数字处理单元，用于调节所述可变基准电压输出。
图5则给出了所述数字处理单元为图1中所述基准电压源提供前置控制信号调节所述可变基准电压输出的示意图。
在图5中，所述前置控制信号包括第一前置控制信号和第二前置控制信号；所述第一前置控制信号发送至所述启动电路的输出端，与所述启动电路的输出信号加权后，作为所述亚阈电流产生电路的输入；所述第二前置控制信号发送至所述亚阈电流产生电路的输出端，与所述亚阈电流产生电路的输出信号加权后，作为所述负温度系数电路和正温度系数电路的输入。
更具体的，参见图6，所述数字处理单元包括第一PMOS管M11、第三PMOS管M13、第五PMOS管M15、第二NMOS管M12、第四NMOS管M14以及可变电容C和可变电阻R；
其中，M11和M12通过栅极对接，M13和M14通过栅极对接；
M13、M11和M15的源极连接，并共同连接至可变电容C的第一端；
M15的漏极连接至可变电容C的第二端；
所述可变电容的第二端与所述可变电阻的第一端连接；
M14的源极连接至所述可变电容的第一端，并连接至所述基准电压源的启动电路。
在此基础上，所述数字处理单元还包括调节器，所述调节器用于调节所述可变电容C和可变电阻R。通过调节所述可变电容C和可变电阻R，使得所述基准电压源输出的基准电压值变化。
实践表明，本发明提出的技术方案具备如下优点：
(1)能够降低直流失调和低频噪声，达到了提高信噪比(接近150db)的目的；
(2)通过开关电容型配合多级运放电路的使用，有效减小了偶次谐波、衬底；
(3)通过基准电压源，为调制器提供稳定的基准电压，降低电源噪声，同时达到了提高精度和降低功耗的目的，满足高性能和低功耗(功耗低于150μW)的要求；
(4)通过数字处理单元调节器调节基准电压源输出，能够满足高性能的不同速度快速响应。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，所述模数转换器包括第一模拟采样模块和第二数字量化模块以及基准电压源；
其特征在于：
所述第一模拟采样模块包括第一模电信号转换电路、第一抗混叠滤波器、第一采样保持电路以及Sigma-Delta调制器；
所述第二数字量化模块包括第二数字滤波器、第二降采样滤波器以及数字输出电路；
其中，所述基准电压源连接所述Sigma-Delta调制器，为所述Sigma-Delta调制器提供基准电压；
所述基准电压源包括启动电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路以及后置反馈电路；
所述启动电路的输出端连接所述亚阈电流产生电路，并接收所述后置反馈电路从所述基准电压源的电压源输出端产生的后置反馈信号；
所述亚阈电流产生电路的输出端分别连接至所述负温度系数电路和正温度系数电路；
所述负温度系数电路和正温度系数电路各自的输出信号经加权电路处理后，作为所述基准电压源的输出信号。
2.如权利要求1所述的一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，其特征在于：
所述第一模电信号转换电路将实测模拟信号通过感应装置变成电流或者电压信号；
所述第一抗混叠滤波器将所述电流或者电压信号中高于所述模数转换器带宽的干扰信号滤除；
所述第一采样保持电路对所述滤除后的时变信号基于预定时间间隔进行取值采样，使信号在一定的时间内保持不变，并利用量化器把保持的电压或者电流信号转成数字码。
3.如权利要求1所述的一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，其特征在于：
所述第二数字滤波器用于滤除高频噪声。
4.如权利要求1所述的一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，其特征在于：
所述Sigma-Delta调制器包括电容积分器、量化ADC模块、DWA编码器以及时钟产生电路；
所述电容积分器包括运算放大器、开关、采样电容以及积分电容组成。
5.如权利要求4所述的一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，其特征在于：
所述运算放大器包括第一级运算放大器和第二级运算放大器；
所述第一级运算放大器包括第一至第九MOS管M1-M9以及电容C1和电容C2；
所述第二级运算放大器包括第一第第八MOS管N1-N9以及电容C6；
所述第一级运算放大器通过电容C0、电容C4以及电容C5与所述第二级运算放大器连接。
6.如权利要求5所述的一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器，其特征在于：
所述第一级运算放大器的所述MOS管M8通过电容C0连接至所述第二级运算放大器的所述MOS管N1和MOS管N2的源极；所述N1和N2共栅共源；
所述第一级运算放大器的所述MOS管M9通过电容C4连接至所述第二级运算放大器的所述MOS管N7和MOS管N8的源极；所述N7和N8共源；
所述第一级运算放大器的所述MOS管M9和MOS管M8的漏极连接至电容C2,以及所述电容C5，所述电容C5连接至MOS管MN的源极；所述MOS管MN的漏极连接至所述MOS管M3的栅极。
7.一种数字处理单元，所述数字处理单元用于为基准电压源提供前置控制信号，所述基准电压源为权利要求1-6任一项所述的高速低功耗Sigma-Delta模数转换器提供基准电压；
其特征在于:
所述前置控制信号包括第一前置控制信号和第二前置控制信号；
所述第一前置控制信号发送至所述启动电路的输出端，与所述启动电路的输出信号加权后，作为所述亚阈电流产生电路的输入；
所述第二前置控制信号发送至所述亚阈电流产生电路的输出端，与所述亚阈电流产生电路的输出信号加权后，作为所述负温度系数电路和正温度系数电路的输入。
8.如权利要求7所述的一种数字处理单元，其特征在于：
所述数字处理单元包括第一PMOS管M11、第三PMOS管M13、第五PMOS管M15、第二NMOS管M12、第四NMOS管M14以及可变电容C和可变电阻R；
其中，M11和M12通过栅极对接，M13和M14通过栅极对接；
M13、M11和M15的源极连接，并共同连接至可变电容C的第一端；
M15的漏极连接至可变电容C的第二端；
所述可变电容的第二端与所述可变电阻的第一端连接；
M14的源极连接至所述可变电容的第一端，并连接至所述基准电压源的启动电路。
9.如权利要求8所述的一种数字处理单元，其特征在于：
所述数字处理单元还包括调节器，所述调节器用于调节所述可变电容C和可变电阻R。
10.如权利要求9所述的一种数字处理单元，其特征在于：
通过调节所述可变电容C和可变电阻R，使得所述基准电压源输出的基准电压值变化。
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