[發明專利]一種應用于Sigma-Delta調制器中的求和-量化電路

在審

• 申請號: 202010026767.7
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111245440A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 梁潮;周雄;李強
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03M3/02
• 分類號: H03M3/02;H03M3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

Sigma?Delta ADC是現代語音頻帶和高分辨率精密測量領域應用最廣泛的轉換器。它利用過采樣和噪聲整形技術，以較低的模擬電路復雜度達到了更高的精度。在Sigma?Delta ADC的兩類主流架構中，前饋結構更利于實現低功耗，但其主要難點在于量化器前端的求和電路的設計。本發明提出一種應用于前饋型Sigma?Delta調制器中的求和?量化電路，屬于模擬集成電路技術領域，具體為在一個單純由開關和電容陣列組成的無源網絡中，利用電荷重分配技術得到一個包含各輸入電壓與參考電壓的輸出電壓，并使用后端的比較器判斷該電壓的極性，從而同時實現求和?量化的功能。

技術領域

本發明提出一種應用于前饋型Sigma-Delta調制器中的求和-量化電路，屬于模擬集成電路技術領域，具體為在一個單純由開關和電容陣列組成的無源網絡中，利用電荷重分配技術得到一個包含各輸入電壓與參考電壓的輸出電壓，并使用后端的比較器判斷該電壓的極性，從而同時實現求和-量化的功能。

背景技術

隨著便攜化電子設備的出現，高精度和高能效成為了信號轉換器的主要發展方向。隨著集成電路產業的發展，數字電路以其更高的可靠性和更完善的電子設計自動化技術而越來越受到青睞，所以能實現模擬和數字信號的轉換的模擬數字轉換器(ADC)就成為了信號轉換的橋梁，它的性能直接決定了進入數字處理的信號的質量。Sigma-Delta ADC是現代語音頻帶和高分辨率精密測量領域應用最廣泛的轉換器。它利用過采樣和噪聲整形技術，用速度換取精度，以較低的模擬電路復雜度達到了更高的精度。因此，如何在實現高精度轉換的同時降低系統的功耗成為當下主流的研究熱點。

當前Sigma-Delta調制器主要由兩大基本結構——反饋結構(FB)與前饋結構(FF)組成。其中，前饋結構更利于實現低功耗。因為，雖然反饋結構可以獲得較好的信號傳輸函數(Signal Transfer Function,STF)，但它需要較大的積分器電壓幅度范圍，這就要求每級積分器中的跨導運放實現高壓擺率與大擺幅，從而增大了功耗；而前饋結構大大降低了積分器的電壓幅度范圍，從而降低了每級積分器中跨導運放的設計要求。因此，低功耗Sigma-Delta調制器多采用高階前饋型系統。

然而高階前饋型Sigma-Delta調制器的難點之一在于求和電路的設計。前饋型Sigma-Delta調制器需要在量化器前對所有積分器的輸出進行求和。一類經典的求和策略是使用開關電容陣列，利用電荷重分配的特性對輸入電壓進行求和。然而這種方法最后得到的輸出結果是一個被衰減的且受節點寄生電容影響的不準確結果，對后續的量化器設計形成了不小的挑戰。

另一類經典的求和策略是使用額外的運放，構建一個有源負反饋環路來得到準確的求和結果。然而在這種求和方法中，環路的反饋系數會隨著求和信號數量的增加而線性下降，從而對運放建立速度的要求升高。這樣會導致運放功耗增加，甚至會超過環路中積分器減少的部分。

綜上，為了降低前饋型Sigma-Delta調制器的整體功耗，需要設計一種既可以實現較為精準的求和功能，同時也不會帶來較大額外功耗的求和電路。

發明內容

本發明要解決的是前饋型Sigma-Delta調制器中的求和電路，在低功耗實現的情況下準確度有限，而在準確性足夠的情況下功耗過高的問題。本發明旨在構建一種全無源的量化電路，其量化對象直接為輸入信號與參考信號的比例之和，從而同時實現求和與量化功能。該電路的量化結果不受寄生電容影響，保證了準確性，同時全無源實現的方式也確保了較低的整體功耗。

本發明提出一種應用于前饋型Sigma-Delta調制器的求和-量化電路，旨在以較低的功耗實現相對準確的多路信號求和功能，同時完成量化操作。該電路包括前端的開關電容陣列和后端的比較器陣列。開關電容陣列由兩相不交疊時鐘控制，在兩種狀態之間切換。電路的輸入為待求和的各路信號與參考電壓，輸出為各路信號加權之和相對于參考電壓的量化結果，以溫度碼的形式輸出。

一種應用于前饋型Sigma-Delta調制器的求和-量化電路，該電路的工作步驟簡述如下。