专利名称：单比特开关电容Sigma-Delta调制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电路领域,尤其是一种单比特开关电容Sigma-Delta调制器。
背景技术：
Sigma-Delta调制器在集成电路中得到了广泛的应用。单比特Sigma-Delta调制器由于对元器件的精确匹配要求较低，易于在标准的数字CMOS工艺中实现，所以在含有数字信号处理的集成电路系统中比较有吸引力。图I为现有技术的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的输入级单端实现形式的 电路图，其中采样电容CS的负极板分别通过开关SI，S3和S4连接输入电压VI，正参考电压+VR，负参考电压-VR ;采样电容CS的正极板分别通过开关S2连接到积分电容Cl的正极板和运放OPAMP的负极板输入端OP-;采样电容CS的正极板通过开关S5接地，积分电容Cl的负极板连接到运放的输出端，运放OPAMP的正端输入端接地，运放的输出端同时连接到比较器的一端，比较器的另一端接地，比较器的输出端和反相器INV的输入端相连，反相器INV的输入信号为DP,反相器INV的输出信号为DN,其中，开关SI和S5由第一控制箱所产生的控制信号Φ1控制，开关S2由第二控制箱所产生的控制信号Φ 2控制，开关S3由第二控制箱所产生的控制信号Φ 2和反相器INV的输出信号共同控制，开关S4由第二控制箱所产生的控制信号Φ2和反相器INV的输入信号共同控制，其中第一控制箱所产生的控制信号Φ I和第二控制箱所产生的控制信号Φ2只存在一个有效控制信号，S卩，一个控制信号有效时另一个控制信号必然无效。其中开关S3和开关S4共同组成反馈DAC。当第一控制箱所产生的控制信号Φ I有效时，输入电压VI被采样到采样电容CS上，采样电容CS上的压降为-VI ;当第二控制箱所产生的控制信号Φ2有效时，采样电容CS的正极板接运放的负端输入端，若比较器的输出信号为+1时，开关S4闭合，开关S3断开，采样电容CS的负极板连接-VR ;若比较器的输出信号为-I时，开关S3闭合，开关S4断开，采样电容CS的负极板连接+VR。当第二控制箱所产生的控制信号Φ2无效时，VI和+VR的电压差或者VI和-VR的电压差在采样电容CS上所造成电荷变化会转移到积分电容Cl上。图2为现有技术的单比特开关电容Sigma-Delta调制器输入级单端实现形式的各节点波形。如图2所示，在第一控制箱所产生的控制信号Φ I与第二控制箱所产生的控制信号Φ2有效无效时序图中采样电容CS的负极板电压VA和正极板电压VB的变化如下由第一控制箱所产生的控制信号ΦI有效突变为第二控制箱所产生的控制信号Φ2有效时，以比较器的输出信号为+1的情况为例，此时采样电容CS负极板从连接VI突变为连接-VR，在第一控制箱所产生的控制信号ΦI和第二控制箱所产生的控制信号Φ2切换的瞬间，这时采样电容CS的负极板的电压会突变为-(VR+VI)，因为电容上的电荷不会发生突变，所以采样电容CS正极板上的电压(也就是运放的负端输入端0P-)也会突变为-(VR+VI)。当VI=-VR 时，-(VR+VI) = O ;当 VI = O 时，-(VR+VI) =-VR ;当 VI = VR 时，-(VR+VI) =-2VR。由于运放的正端接地，所以在第二控制箱所产生的控制信号Φ2有效时电容CS的正极板电压即为运放输入端负端和输入端正端之间的压差。当运放两个输入端压差绝对值小于等于Λ/ Γο /时(Vod为运放输入端对管的过驱电压)，运放工作在线性区，积分电容Cl上电压的建立为线性过程。当运放输入端两端压差绝对值大于Λ/ Γο /时运放工作在非线性区，积分电容Cl上电压的建立为非线性过程，表现为电流源对积分电容Cl充放电。一般运放的的大概在几百毫伏以内，而在现有的单比特开关电容Sigma-Delta调制器中，运放输入端的电压差经常在I伏特甚至几个伏特以上。由于运放输入端压差绝对值过大后，会造成积分电容Cl的电压的建立有可能进入非线性两个过程，使整个调制器的线性度降低。为了提高调制器的线性度，就要限制运放输入端压差的绝对值在一定范围内。在现有的技术中，可以将调制器的比较器和反馈DAC由单比特改为多比特，这样反馈DAC的输出端电压不只有+VR和-VR两个离散值，而是由DAC比特数决定的多个离散值，且DAC的输出端电压跟随输入电压VI，这样运放输入端的压差绝对值就较小，可以使运放一直工作在线性区。但是多比特DAC引入的一个问题是由元器件(比如电容)的匹配性造成的DAC本身的非线性。此非线性的校正需要对元器件进行修调或者采用比较复杂的数字技术进行动态匹配。这两项技术都会增加额外的成本。
实用新型内容本实用新型旨在解决单比特开关电容Sigma-Delta调制器运放输入端压差绝对值大于运放输入端对管的过驱电压的技术问题，提供一种简单、低成本的单比特开关电容Sigma-Delta调制器以有效降低运放输入端电压差的绝对值。为解决上述技术问题,本实用新型提供一种单比特开关电容Sigma-Delta调制器，包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、采样电容、积分电容、分压电容、运放、比较器和反相器；其中，所述采样电容的负极板通过所述第一开关连接输入电压，并通过所述第三开关或第四开关连接正参考电压或负参考电压；所述采样电容的正极板连接到分压电容的正极板，并通过所述第二开关连接到所述积分电容的正极板和所述运放的负端输入端，并通过所述第五开关接地；所述分压电容的负极板接地；所述积分电容的负极板连接到所述运放的输出端；所述运放的正端接地；所述运放的输出端连接到所述比较器的一端，所述比较器的另一端接地，所述比较器的输出端连接所述反相器的输入端。可选的，所述分压电容的容值满足下面公式(VRl + VIl)x Csl/(Csl + Cs) <-JlVod其中，VRl为所述正参考电压；VI1为所述输入电压；Csl为所述采样电容的容值；Ce为所述分压电容的容值；Vod为所述运放的输入端对管的过驱电压。可选的，还包括第一控制箱和第二控制箱，其中，所述第一开关和第五开关由所述第一控制箱所产生的控制信号控制，所述第二开关由所述第二控制箱所产生的控制信号控制，所述第三开关由所述第二控制箱所产生的控制信号和反相器的输出信号共同控制，所述第四开关由所述第二控制箱所产生的控制信号和所述反相器的输入信号共同控制。可选的，所述第一控制箱所产生的控制信号有效时，所述第二控制箱所产生的控制信号无效。可选的，所述第二控制箱所产生的控制信号有效时，所述第一控制箱所产生的控制信号无效。本实用新型在单比特开关电容Sigma-Delta调制器中增加了分压电容，根据公式{VR\ + VI\)xCs\l{Cs\ + C’ck 选择合适容值的分压电容，便可以使运放输入端的压差的绝对值有效降低。相对于通过扩展单比特反馈DAC到多比特反馈DAC而言，本实用新型并没有增加很多成本也没有增加更多的元器件的修调工作，既可使运放输入端的压差的绝对值可以降低到几百毫伏以内，完全可以实现运放工作在线性区域的目的。
图I为现有技术的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的输入级单端实现形式的电路图；图2为现有技术的单比特开关电容Sigma-Delta调制器输入级单端实现形式的各节点波形；图3为本实用新型的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的输入级单端实现形式的电路图；图4为本实用新型的单比特开关电容Sigma-Delta调制器输入级单端实现形式的各节点波形；图5为本实用新型的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的全差分电路实现形式的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的，技术方案和优点更加清楚，
以下结合附图来进一步做详细说明。在背景技术中已经提及，现有技术中，一般运放的的大概在几百毫伏以内，而在现有的单比特开关电容Sigma-Delta调制器中，运放输入端的电压差经常在I伏特甚至几个伏特以上，这会直接导致使整个调制器的线性度降低。为此，本实用新型在单比特开关电容Sigma-Delta调制器中增加了分压电容，根据公式(FM + VIl)y.Csll{Csl + Cck 选择合适容值的分压电容，便可以使运放输入端的压差的绝对值有效降低。相对于通过扩展单比特反馈DAC到多比特反馈DAC而言，本实用新型并没有增加很多成本也没有增加更多的元器件的修调工作，本实用新型的运放输入端的压差的绝对值可以降低到几百毫伏以内，完全可以实现运放工作在线性区域的目的。图3为本实用新型的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的输入级单端实现形式的电路图。如图3所示,本实用新型一实施例的单比特开关电容Sigma-Delta调制器11,包括第一开关S11、第二开关S12、第三开关S13、第四开关S14、第五开关S15、采样电容CS1、积分电容Cl I、分压电容CC、运放OPAMPl、比较器I和反相器INVl。其中，采样电容CSl的负极板通过开关第一开关SI I连接输入电压VII，采样电容CSl的负极板通过第三开关S13或第四开关S14连接正参考电压+VRl或负参考电压-VRl ;采样电容CSl的正极板连接到分压电容CC的正极板，采样电容CSl的正极板分别通过第二开关S12连接到积分电容CIl的正极板和运放OPAMPl的负端输入端OPl-;采样电容CSl的正极板通过第五开关S15接地；分压电容的负极板接地；积分电容CIl的负极板连接到运放的输出端；运放OPAMPl的正端输入端接地；运放OPAMPl的输出端连接到比较器I的一端，比较器I的另一端接地，比较器I的输出端连接到反相器INVI的输入端，反相器INVI的输入信号为DPl，反相器INVI的输出信号为DNl。此外，所述的单比特开关电容Sigma-Delta调制器还包括第一控制箱和第二控制箱(第一控制箱和第二控制箱图中未不出)，其中第一开关Sll和第五开关S15由第一控制箱所产生的控制信号Φ11控制，第二开关S12由第二控制箱所产生的控制信号Φ12控制，第三开关S13由第二控制箱所产生的控制信号Φ12和反相器INVl的输出信号共同控制，具体为，第三开关S13由所述第二控制箱所产生的控制信号和反相器的输出信号所产生的与逻辑信号来控制所述第三开关，第四开关S14由第二控制箱所产生的控制信号Φ 12和反相器INVl的输入信号共同控制，具体为，第四开关S14由所述第二控制箱所产生的控制信号和所述反相器的输入信号所产生的与逻辑信号来控制所述第四开关。其中第一控制箱所产生的控制信号Φ 11和第二控制箱所产生的控制信号Φ 12只存在一个有效控制信号，SP，一个控制箱所产生的控制信号有效时另一个控制箱所产生的控制信号必然无效。图4为本实用新型的单比特开关电容Sigma-Delta调制器输入级单端实现形式的 各节点波形。如图4所示，在第一控制箱所产生的控制信号Φ 11与第二控制箱所产生的控制信号Φ 12有效无效时序图中采样电容CSl的负极板电压VAl和正极板电压VBl的变化如下由第一控制箱所产生的控制信号Φ11有效突变为第二控制箱所产生的控制信号Φ12有效时，以比较器I的输出信号为+1的情况为例，此时采样电容CSl负极板从连接输入电压VII突变为连接负参考电压-VRl，在第一控制箱所产生的控制信号Φ 11和第二控制箱所产生的控制信号Φ12切换的瞬间，由于米样电容CSl正极板和分压电容CC正极板的电荷综合不能发生突变，采样电容CSl正极板电压突变为-(VR1+VI1) XCsl/(Csl+Cc)，即运放OPAMPl输入端两端的压差绝对值突变为(VR1+VI1) XCsl/(Csl+Cc)，其中，VRl为所述正参考电压；VI1为所述输入电压；Csl为所述采样电容CSl的容值；Cc为所述分压电容CC的容值。分压电容CC的容值Ce满足公式(KM + VI\)x Cs\l(Cs\ + Ce) <拉od，其中，Vod为所述运放的输入端对管的过驱电压。当VIl =VRl时，运放OPAMPl输入端两端的压差绝对值达到最大，为2VRlXCsl/(Csl+Cc)。由此可见，运放OPAMPl输入端两端的压差绝对值被有效降低。若Ce = Csl，则运放OPAMPl输入端两端的压差绝对值为VR1。在图4中，取VIl =
O.5VR1。考虑到开关的导通电阻和各节点的寄生电容，运放OPAMPl输入端实际压差绝对值要小于上述理论计算的结果，可根据运放输入端对管过驱电压Vod，开关导通电阻和各节点寄生电容的情况选择分压电容CC的容值Ce，使运放输入端电压差绝对值小于Τ Γο /。本实用新型通过分压电容CC的电荷分配作用，使运放OPAMPl输入端的压差绝对值限制在一定的范围内。需要说明的是，本实用新型的使用不限于输入端级单端形式，也可应用于全差分电路。图5为本实用新型的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的全差分电路实现形式的电路图。本领域的技术人员可以根据单比特开关电容Sigma-Delta调制器输入级单端实现形式，自然的应用于全差分电路实现形式的单比特开关电容Sigma-Delta调制器的电路图，所以对于全差分电路实现形式的原理不再赘述，但是本领域技术人员应是知晓的。同样的，本实用新型也不限于开关电容Sigma-Delta调制器，也可应用于其它开关电容电路，并可与斩波技术，相关双采样技术(CDS)同时应用。综上所述，本实用新型在单比特开关电容Sigma-Delta调制器中增加了分压电容，便可以使运放输入端的压差的绝对值有效降低。相对于通过扩展单比特反馈DAC到多比特反馈DAC，并没有增加很多成本也没有增加更多的元器件的修调工作，既可使运放输入端的压差的绝对值可以降低到几百毫伏以内，完全可以实现运放工作在线性区域的目的。显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。
权利要求1.一种单比特开关电容Sigma-Delta调制器，包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、采样电容、积分电容、分压电容、运放、比较器和反相器；其中，所述采样电容的负极板通过所述第一开关连接输入电压，并通过所述第三开关或第四开关连接正参考电压或负参考电压；所述采样电容的正极板连接到分压电容的正极板，并通过所述第二开关连接到所述积分电容的正极板和所述运放的负端输入端，并通过所述第五开关接地；所述分压电容的负极板接地；所述积分电容的负极板连接到所述运放的输出端；所述运放的正端接地；所述运放的输出端连接到所述比较器的一端，所述比较器的另一端接地，所述比较器的输出端连接所述反相器的输入端。
2.如权利要求I所述的单比特开关电容Sigma-Delta调制器，其特征在于，还包括第一控制箱和第二控制箱，其中，所述第一开关和第五开关由所述第一控制箱所产生的控制信号控制，所述第二开关由所述第二控制箱所产生的控制信号控制，所述第三开关由所述第二控制箱所产生的控制信号和反相器的输出信号共同控制，所述第四开关由所述第二控制箱所产生的控制信号和所述反相器的输入信号共同控制。
专利摘要本实用新型公开了一种单比特开关电容Sigma-Delta调制器，包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、采样电容、积分电容、分压电容、运放、比较器和反相器。本实用新型增加了分压电容，便可以使运放输入端的压差的绝对值有效降低。相对于通过扩展单比特反馈DAC到多比特反馈DAC，并没有增加很多成本也没有增加更多的元器件的修调工作，使得运放输入端的压差的绝对值可以降低到几百毫伏以内，完全可以实现运放工作在线性区域的目的。
文档编号H03M3/00GK202634404SQ201220188220
公开日2012年12月26日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者周小爽, 胡铁刚, 俞铁刚 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司