[發明專利]Sigma-Delta模數轉換器

無效

• 申請號: 200910301563.3
• 申請日: 2009-06-19
• 公開（公告）號: CN101640539A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發明（設計）人: 蔡坤明;韓雁;羅豪;黃小偉;張昊;韓曉霞
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H03M3/02
• 分類號: H03M3/02
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所
• 代理人: 吳無懼;劉思寧

技術領域

本發明涉及一種模數轉換器，屬于集成電路技術領域。?

背景技術

目前，隨著我國消費類電子產業和多媒體產業的迅速發展，數字音頻技術發展十分迅猛。作為其中不可缺少的一個環節，模數轉換器需要朝更低電壓、更低功耗、更低成本和更高性能的方向不斷前進，其中低壓低功耗設計必然成為模數轉換器未來發展的主要方向之一。然而，電源電壓的降低意味著輸入共模范圍的減小、動態范圍的減小、噪聲失真性能的變差等等，我們需要采用更先進的低功耗設計思路和更精巧的電路設計來克服這些困難。

傳統的模數轉換結構框圖如圖1所示，模擬信號到數字信號的轉換包括模擬信號的反混疊濾波10、采樣11、幅度量化12以及數字后處理13四個單元。其中信號采樣的最小速率取決于信號帶寬，而能夠容忍的量化誤差量決定了轉換的分辨率。在模擬信號的采樣11和幅度量化12中，運算放大器都是至關重要的電路模塊，同時也是模數轉換器模擬部分主要的功耗模塊。正因為如此，低壓低功耗運算放大器設計往往成為模數轉換器設計者的研究焦點。

用C類反向器代替傳統的運算放大器是一種新型低壓低功耗設計技術。C類反向器主體部分是一個推挽式反向器，如附圖2所示，結構相當簡單，功耗極低，芯片占用面積小，其中“C類”指該反向器處于飽和導通狀態的時間小于50%。在實際應用中C類反向器采用了動態偏置技術，即它的工作狀態是通過對輸入管柵電位的調制而不斷變化的。在模擬電路設計中，C類反向器可以在以下兩種狀態間進行切換：

1）當PMOS輸入管M1和NMOS輸入管M2均處于弱反型區時，反向器具有較高的增益和極低的功耗，但是跨導和帶寬相對較小，該狀態我們稱之為高增益低功耗狀態；

2）當M1處于強反型區，M2處于截止區（或M2處于強反型區，M1處于截止區）時，工作在強反型區的MOS輸入管跨導較大，這使得反向器具有較大的擺率和輸出電流，而且由于另一個輸入管處于截止區，整個反向器由電源到地的導通電流極小，避免了無謂的靜態功耗，該狀態我們稱之為高擺率大電流狀態。

在開關電容電路的設計中，若C類反向器采用合適的動態偏置，在不同的時鐘相位將反向器這兩種工作狀態結合起來，可以代替傳統的運算放大器實現一些新型的極低功耗開關電容電路。例如，Youngcheol?Chae,?Inhee?Lee?and?Gunhee?Han,?“A0.7V?36uW?85dB-DR?Audio?????????????????????????????????????????????????Modulator?Using?Class-C?Inverter,”2008?IEEE?International?Solid-State?Circuits?Conference:p.490-491,630。文中作者將C類反向器電路用于Sigma-Delta模數轉換器的積分器中，實現了一個極低功耗的三階單環結構Sigma-Delta模數轉換器。其中，為了提高穩態增益，反向器采用了如圖3所示的共源共柵結構，PMOS管M3和NMOS管M4的偏置電位分別是地電位GND和電源電位V_DD。

但是，當推挽式C類反向器（包括簡單型和共源共柵型C類反向器）中輸入管工作在弱反型區時，其跨導受工藝偏差影響很大（尤其是MOS管尺寸較大的時候），導致C類反向器的增益、帶寬和靜態功耗等穩態特性在不同的工藝角下存在嚴重偏差。當C類反向器切換至高擺率大電流狀態時，C類反向器的擺率和建立時間等動態特性同樣受到影響。工藝偏差對C類反向器的不利影響將直接導致積分器工作頻率、建立時間、積分精度和功耗等指標的惡化，進而嚴重影響到模數轉換器環路濾波的精確性，造成整個模數轉換器性能下降甚至功能喪失。?

發明內容

本發明要解決的技術問題是，提供一種采用新型C類反向器的Sigma-Delta模數轉換器,?以克服現有技術推挽式C類反向器的跨導受工藝偏差影響很大（尤其是MOS管尺寸較大的時候），導致的積分器工作頻率、建立時間、積分精度和功耗等指標的惡化，進而嚴重影響到模數轉換器環路濾波的精確性，造成整個模數轉換器性能下降甚至功能喪失的不足。

本發明要解決的第二個技術問題是，提供一種三階單環結構的Sigma-Delta模數轉換器。

本發明的Sigma-Delta模數轉換器采取以下技術方案，它包括：

反混疊濾波器，用于模擬輸入信號的反混疊濾波；

采樣保持器，用于模擬輸入信號的過采樣；