专利名称：过采样a/d转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过采样A/D转换器，特别地，本发明涉及一种连续时间型Δ Σ A/
D转换器。
背景技术：
过采样A/D转换器广泛用于通信设备的前端和音频信号的转换等，并且是现在的 通信、视频、音频信号处理电路中必需的电路技术。作为过采样A/D转换器之一，存在具备 积分器等连续时间型滤波器的连续时间型Δ Σ A/D转换器(CTDSADC Continuous Time Delta-Sigma A/Dcomverter)(例如，参照非专利文献1和2)。在通常的CTDS-ADC中，输入信号通过级联连接的η个积分器并由量化器 (quantizer)来量化。量化器的输出由η个D/A转换器转换为电流信号之后，反馈到相应的 η个积分器。由于CTDS-ADC在模拟电路部分中不包括开关，可以使该CTDS-ADC低电压化。 另外，在采用采样滤波器的情况下，在CTDS-ADC中不需要通常所需的前置滤波器。由于这 些方面，CTDS-ADC适于针对通信系统的应用，近年来，应用开发研究正变得繁盛。通常，CTDS-ADC的A/D转换精度较大的受到输入信号通过的连续时间型滤波器的 线性特性和动态范围等的影响。因此，存在按照以下方式改进后的转换器通过将输入信号 前馈到量化器的输入并且将量化器的输出反馈到连续时间型滤波器的输入，在连续时间型 滤波器的前面阶段中去除输入信号而仅使量化噪声通过连续时间型滤波器(例如，参照非 专利文献3)。由此，由于对连续时间型滤波器所要求的线性特性和动态范围大幅放宽，不仅 能够简化电路结构而且能够降低消耗功率。另外，通过将量化器的输出反馈到量化器的输 入来使得CTDS-ADC的操作稳定性提高的技术是公知的(例如，参照非专利文献4)。非专禾丨J文献 1 Richard Schreier and Bo Bang, “ Delta-Sigma Modulators Employing Continuous-Time Circuitry “ ， IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I FUNDAMENTAL THEORY AND APPLICATIONS, VOL. 43, NO. 4, APRIL 1996非专利文献2 :Xuefeng Chen et al.，“ A 18mff CT Δ Σ Modulatorwith 25MHz Bandwidth for Next Generation Wireless Applications" , IEEE 2007 Custom Intergrated Circuits Conference,2007# # ^lJ i； K 3 =Paulo G. R. Silva, Lucien J. Breems, Kofi A. A. Makinwa, Raf Roovers,Johan H. Huijsing, " An 118dB DR CTIF-to-Baseband Σ Δ Modulator for AM/ FM/IB0C Radio Receivers"，ISSCC 2006/SESSI0N 3/0VERSAMPLING ADCs/3. 3, February 6,2006非专利文献 4 :G. Mitteregger, C. Ebner, S. Mechnig, Τ. Blon, C. Holuigue, Ε. Romani, Α. Melodia, V. Melini, “ A 14b 20mff 640MHzCM0S CTA Σ ADC with 20MHz Signal Bandwidth and 12b ENOB “，ISSCC 2006/SESSI0N3/0VERSAMPLING ADCs/3. 1， February 6,200
发明内容
发明所要解决的课题在改进型CTDS-ADC中，在前馈的输入信号与连续时间型滤波器的输出的加法部 分中采用了晶体管等有源元件。因此，在输入信号通过该加法部分时，由于构成该加法部分 的有源元件的非线性特性等还是会产生信号失真。另外，在改进型CTDS-ADC中，在将用于前馈的输入信号的反混叠(7 > f - 4 U Τ" ^ )处理的滤波器插入到量化器的前面阶段的情况下，必须将具有相同电路结构的滤波 器也插入到连续时间型滤波器的前面阶段。因此，在该滤波器包括有源元件的情况下，反混 叠滤波器也采用有源元件来构成，因而会导致信号失真。此外，当为了提高改进型CTDS-ADC 的操作稳定性而将量化器的输出反馈到量化器的输入时，仅仅简单地将相同电路结构的滤 波器分别插入到量化器的前面阶段和连续时间型滤波器的前面阶段，存在无法在连续时间 型滤波器的前面阶段中去除输入信号的问题。考虑到上述问题，本发明的课题在于对于对输入信号进行前馈的类型的 CTDS-ADC，在降低信号失真的同时能够进行反混叠处理，进而提高操作稳定性。用于解决课题的手段为了解决上述课题，在本发明中描述了以下手段。也就是，提出了一种对输入信号 进行数字转换的过采样A/D转换器，具备第一滤波器，所述第一滤波器具有在其一端接 收所述输入信号的第一电阻元件、其一端与所述第一电阻元件的另一端连接而其另一端接 地的第一电容元件、其一端与所述第一电容元件的一端连接的第二电阻元件、其反相输入 端与所述第二电阻元件的另一端连接而其非反相输入端接地的运算放大器、以及连接在所 述运算放大器的输出端与反相输入端之间的第二电容元件，以及所述第一滤波器从所述运 算放大器的输出端输出信号；第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，所 述第三滤波器具有在其一端接收所述输入信号的第三电阻元件、其一端与所述第三电阻 元件的另一端连接而其另一端接地的第三电容元件、以及其一端与所述第二滤波器的输出 端连接而其另一端与所述第三电容元件的一端连接的第四电阻元件，以及所述第三滤波器 从所述第三电容元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字 信号；以及D/A转换器，其将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到 所述运算放大器的反相输入端。由此，通过将第一到第四电阻元件的各个电阻值、以及第一和第三电容元件的各 个电容值分别设定为给定的比率，能够在第二滤波器的前面阶段中去除输入信号，另外，由 于前馈的输入信号未经过有源元件而输入到量化器，所以能够降低信号失真。另外，第三滤 波器具有作为反混叠滤波器的功能。可以将所述第四电阻元件替换为其输入端与所述第二滤波器的输出端连接而其 输出端与第三电容元件的一端连接的电压电流转换元件。由此，能够将第三滤波器的增益 保持为较大。另外，该过采样A/D转换器可以具备D/A转换器，其将所述数字信号转换为模拟 电流信号，并且将该电流信号输入到所述第一电容元件的一端。由此，通过将第一到第四电 阻元件的各个电阻值、以及第一和第三电容元件的各个电容值分别设定为相同的值，能够 在第二滤波器的前面阶段中去除输入信号，
优选地，所述的各个过采样A/D转换器可以具备D/A转换器，其将所述数字信号 转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到所述第三电容元件的一端。由此，能够提高 该过采样A/D转换器的操作稳定性。对于具备所述第四电阻元件的过采样A/D转换器，所述D/A转换器的输出端可以 不与所述运算放大器的反相输入端连接而是与第一电容元件的一端连接。由此，通过将第 一到第四电阻元件的各个电阻值、以及第一和第三电容元件的各个电容值分别设定为相同 的值，能够在第二滤波器的前面阶段中去除输入信号。另外，提出了一种对输入信号进行数字转换的过采样A/D转换器，具备第一滤波 器，所述第一滤波器具有在其一端接收所述输入信号的第一电阻元件、其一端与所述第一 电阻元件的另一端连接而其另一端接地的第一电容元件、以及其输入端与所述第一电容元 件的一端连接的电压电流转换元件，以及所述第一滤波器从所述电压电流转换元件的输出 端输出信号；第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，所述第三滤波器具 有在其一端接收所述输入信号的第二电阻元件、其一端与所述第二电阻元件的另一端连 接而其另一端接地的第二电容元件、以及其一端与所述第二滤波器的输出端连接而其另一 端与所述第二电容元件的一端连接的第三电阻元件，以及所述第三滤波器从所述第二电容 元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字信号；反相放大 器，其接收所述数字信号；以及第四电阻元件，其连接在所述反相放大器的输出端与所述第 一电容元件的一端之间。由此，通过将第一到第四电阻元件的各个电阻值、以及第一和第三电容元件的各 个电容值分别设定为相同的值，能够在第二滤波器的前面阶段中去除输入信号，另外，由于 前馈的输入信号未经过有源元件而输入到量化器，能够降低信号失真。另外，第三滤波器具 有作为反混叠滤波器的功能。可以将第三电阻元件替换为其输入端与所述第二滤波器的输出端连接而其输出 端与所述第二电容元件的一端连接的电压电流转换元件，并将所述反相放大器和所述第四 电阻元件替换为用于将所述数字信号转换为，模拟电流信号并且将该电流信号输入到所述 第一电容元件的一端的D/A转换器。由此，能够将第三滤波器的增益保持为较大。发明效果根据本发明，对于对输入信号进行前馈的类型的CTDS-ADC，能够降低信号失真并 且能够进行反混叠处理，同时提高了 A/D转换精度。另外，提高了同类型的CTDS-ADC的动 作稳定性。
图1是第一实施方式所涉及的过采样A/D转换器的结构图。图2是第二实施方式所涉及的过采样A/D转换器的结构图。图3是第三实施方式所涉及的过采样A/D转换器的结构图。图4是第四实施方式所涉及的过采样A/D转换器的结构图。图5是第五实施方式所涉及的过采样A/D转换器的结构图。图6是第六实施方式所涉及的过采样A/D转换器的结构图。符号说明
6
10滤波器(第一滤波器)10’滤波器(第一滤波器)101电阻元件(第一电阻元件)102电容元件(第一电容元件)103电阻元件(第二电阻元件)104运算放大器105电容元件(第二电容元件)106电压电流转换元件20滤波器(第二滤波器)30滤波器(第三滤波器)30 ’滤波器(第三滤波器)301电阻元件(第三电阻元件、第二电阻元件)302电容元件(第三电容元件、第二电容元件)303电阻元件(第四电阻元件、第三电阻元件)303，电压电流转换元件40量化器50D/A 转换器60D/A 转换器70D/A 转换器80反相放大器90电阻元件(第四电阻元件)
具体实施例方式下面参照附图来说明用于实施本发明的最佳方式。第一实施方式图1示出了第一实施方式所涉及的CTDS-ADC。在本实施方式所涉及的CTDS-ADC 中，滤波器10具备在其一端处接收输入信号Vin的电阻元件101、其一端与电阻元件101的 另一端连接且其另一端接地的电容元件102、其一端与电容元件102的一端连接的电阻元 件103、其反相输入端与电阻元件103的另一端连接而其非反相输入端接地的运算放大器 104、以及连接在运算放大器104的反相输入端和输出端之间的电容元件105，并且该滤波 器10从运算放大器104的输出端输出信号。滤波器20是接收滤波器10的输出的连续时 间型滤波器。滤波器30具备在其一端处接收输入信号Vin的电阻元件301 ；其一端与电 阻元件301的另一端连接且其另一端接地的电容元件302 ；以及其一端与滤波器20的输出 端连接而其另一端与电容元件302的一端连接的电阻元件303，并且该滤波器30从电容元 件302的一端输出信号。也就是，滤波器30具有将输入信号Vin与滤波器20的输出相加 的功能。量化器40接收滤波器30的输出，然后生成数字信号Vout。D/A转换器50将数字 信号Vout转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到运算放大器104的反相输入端。 D/A转换器60将数字信号Vout转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到电容元件 302的一端。
在本实施方式所涉及的CTDS-ADC中，使电阻元件301和电阻元件302的电阻值为 R，电容元件302的电容值为C，D/A转换器50的增益(gm值)为-1/R，以及D/A转换器60 的增益为- a /R，则分别地，电阻元件101的电阻值设定为(η+α - β )R、电阻元件103的电 阻值设定为3札电容元件102的电容值设定为(/((11+叫3邻2)。注意，η是与电容元件 302连接的电阻元件的个数(这里，η = 2)，β是电阻元件101、电阻元件103和电容元件 102的各个元件值不为负的范围内可任意设定的常数。另外，在β = (η+α)/2时，电容元 件102的电容值变为最小。这里，设电容元件105的电容值为C1,滤波器20的传递函数是_L (s)，电容元件102 的一端的电压为V1,滤波器10的输出电压为V2，滤波器20的输出电压为V3，以及滤波器30 的输出电压为V4,则以下的节点方程式成立。注意，s是拉普拉斯(Laplace)算子，Q是量
化噪声。数学式1
权利要求
1.一种过采样A/D转换器，对输入信号进行数字转换，其特征在于，具备第一滤波器，该第一滤波器具有在一端接收所述输入信号的第一电阻元件、一端与所 述第一电阻元件的另一端连接而另一端接地的第一电容元件、一端与所述第一电容元件的 一端连接的第二电阻元件、反相输入端与所述第二电阻元件的另一端连接而非反相输入端 接地的运算放大器、以及连接在所述运算放大器的输出端与反相输入端之间的第二电容元 件，并且所述第一滤波器从所述运算放大器的输出端输出信号；第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，该第三滤波器具有在一端接收所述输入信号的第三电阻元件、一端与所 述第三电阻元件的另一端连接而另一端接地的第三电容元件、以及一端与所述第二滤波器 的输出端连接而另一端与所述第三电容元件的一端连接的第四电阻元件，并且所述第三滤 波器从所述第三电容元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字信号；以及D/A转换器，其将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到所述运 算放大器的反相输入端。
2.一种过采样A/D转换器，对输入信号进行数字转换，其特征在于，具备第一滤波器，该第一滤波器具有在一端接收所述输入信号的第一电阻元件、一端与所 述第一电阻元件的另一端连接而另一端接地的第一电容元件、一端与所述第一电容元件的 一端连接的第二电阻元件、反相输入端与所述第二电阻元件的另一端连接而非反相输入端 接地的运算放大器、以及连接在所述运算放大器的输出端与反相输入端之间的第二电容元 件，并且所述第一滤波器从所述运算放大器的输出端输出信号；第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，该第三滤波器具有在一端接收所述输入信号的第三电阻元件、一端与所 述第三电阻元件的另一端连接而另一端接地的第三电容元件、以及输入端与所述第二滤波 器的输出端连接而输出端与所述第三电容元件的一端连接的电压电流转换元件，并且所述 第三滤波器从所述第三电容元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字信号；以及D/A转换器，其将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到所述运 算放大器的反相输入端。
3.根据权利要求2所述的过采样A/D转换器，其特征在于，还具备D/A转换器，该D/A转换器将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流 信号输入到所述第一电容元件的一端。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的过采样A/D转换器，其特征在于，还具备D/A转换器，该D/A转换器将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流 信号输入到所述第三电容元件的一端。
5.一种过采样A/D转换器，对输入信号进行数字转换，其特征在于，具备第一滤波器，该第一滤波器具有在一端接收所述输入信号的第一电阻元件、一端与所 述第一电阻元件的另一端连接而另一端接地的第一电容元件、一端与所述第一电容元件的 一端连接的第二电阻元件、反相输入端与所述第二电阻元件的另一端连接而非反相输入端 接地的运算放大器、以及连接在所述运算放大器的输出端与反相输入端之间的第二电容元件，并且所述第一滤波器从所述运算放大器的输出端输出信号； 第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，该第三滤波器具有在一端接收所述输入信号的第三电阻元件、一端与所 述第三电阻元件的另一端连接而另一端接地的第三电容元件、以及一端与所述第二滤波器 的输出端连接而另一端与所述第三电容元件的一端连接的第四电阻元件，并且所述第三滤 波器从所述第三电容元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字信号；以及 D/A转换器，其将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到所述第 一电容元件的一端。
6.一种过采样A/D转换器，对输入信号进行数字转换，其特征在于，具备第一滤波器，该第一滤波器具有在一端接收所述输入信号的第一电阻元件、一端与所 述第一电阻元件的另一端连接而另一端接地的第一电容元件、以及输入端与所述第一电容 元件的一端连接的电压电流转换元件，并且所述第一滤波器从所述电压电流转换元件的输 出端输出信号；第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，该第三滤波器具有在一端接收所述输入信号的第二电阻元件、一端与所 述第二电阻元件的另一端连接而另一端接地的第二电容元件、以及一端与所述第二滤波器 的输出端连接而另一端与所述第二电容元件的一端连接的第三电阻元件，并且所述第三滤 波器从所述第二电容元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字信号； 反相放大器，其接收所述数字信号；以及第四电阻元件，其连接在所述反相放大器的输出端与所述第一电容元件的一端之间。
7.—种过采样A/D转换器，对输入信号进行数字转换，其特征在于，具备第一滤波器，该第一滤波器具有在一端接收所述输入信号的第一电阻元件、一端与所 述第一电阻元件的另一端连接而另一端接地的第一电容元件、以及输入端与所述第一电容 元件的一端连接的电压电流转换元件，并且所述第一滤波器从所述电压电流转换元件的输 出端输出信号；第二滤波器，其接收所述第一滤波器的输出；第三滤波器，该第三滤波器具有在一端接收所述输入信号的第二电阻元件、一端与所 述第二电阻元件的另一端连接而另一端接地的第二电容元件、以及输入端与所述第二滤波 器的输出端连接而输出端与所述第二电容元件的一端连接的电压电流转换元件，并且所述 第三滤波器从所述第二电容元件的一端输出信号；量化器，其接收所述第三滤波器的输出并生成数字信号；以及 D/A转换器，其将所述数字信号转换为模拟电流信号，并且将该电流信号输入到所述第 一电容元件的一端。
全文摘要
过采样A/D转换器具备具有第一电阻元件(101)、第一电容元件(102)、第二电阻元件(103)、运算放大器(104)、以及第二电容元件(105)的第一滤波器(10)；接收第一滤波器(10)的输出的第二滤波器(20)、具有第三电阻元件(301)、第三电容元件(302)、以及第四电阻元件(303)的第三滤波器(30)；接收第三滤波器(30)的输出并生成数字信号的量化器(40)；以及将该数字信号转换为模拟电流信号的D/A转换器(50)。D/A转换器(50)将生成的模拟电流信号输入到运算放大器(104)的反相输入端。
文档编号H03M3/02GK102124654SQ20098013213
公开日2011年7月13日 申请日期2009年3月27日 优先权日2008年8月19日
发明者三谷阳介, 松川和生, 道正志郎, 高山雅夫 申请人:松下电器产业株式会社