Sigma-Delta模数转换器及其控制方法与流程

sigma-delta模数转换器及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电子线路的技术领域，具体地涉及一种sigma-delta模数转换器及其控制方法。


背景技术：

2.sigma-delta模数转换器(adc,analog digital converter)是一种应用广泛的高精度模数转换器。sigma-delta模数转换器采用过采样、噪声整形及数字滤波等技术，具有高精度和低功耗的优点。
3.图1a是一种sigma-delta模数转换器的结构示意图。sigma-delta模数转换器通常包括sigma-delta调制器110和数字滤波器120两个组成部分。sigma-delta调制器110以大大高于奈奎斯特采样率的速度对模拟输入信号input进行过采样，并输出一位的比特流(bit stream)。比特流中的“1”的密度对应着模拟输入信号input的大小。数字滤波器120对比特流进行滤波，从而得到非常高的转换分辨率。
4.图1b是一种一阶sigma-delta调制器的结构示意图。sigma-delta调制器可以由积分器111和比较器112组成。其中，积分器111中包括运算放大器oa1(operational amplifier,oa)和电容c1。输入电流信号iinput与运算放大器oa1的一个输入端相连接，向运算放大器oa1提供一路输入电压v1。参考电压vref与运算放大器oa1的另一个输入端相连接。运算放大器oa1的输出端与比较器112的一个输入端相连接，运算放大器oa1的输出信号114作为比较器112的一个输入信号。参考电压vref同时还与比较器112的另一个输入端相连接，参考电压vref作为比较器112的另一个输入信号。比较器112用于比较输出信号114和参考电压vref，并且在输出端输出比特流信号115。比较器112的输出端与开关模式电流源j1的一端相连接，该开关模式电流源j1还与输入电流信号iinput相连接，形成反馈回路，用于根据比较器112输出的比特流信号115来调整输入电压v1的大小。
5.图1c是图1b所示的sigma-delta调制器在工作状态下的部分信号波形图。其中，折线131、132用于表示运算放大器oa1的输出信号114的电压波形；方波141、142用于表示比较器112输出的比特流信号115。折线131、132中的上升段和下降段分别对应电容c1的充电过程和放电过程。方波141、142中的高电位表示比特流信号115中的数字“1”，低电位表示比特流信号115中的数字“0”。比特流信号115的占空比(duty-cycle)指在一个周期内数字“1”占整个周期的比例，方波141的占空比较小，方波142的占空比较大。当输入电压v1较低时，运算放大器oa1的输出信号114用折线131表示，并对应比特流信号141；当输入电压v1较高时，运算放大器oa1的输出信号114用折线132表示，并对应比特流信号142。
6.图1c中还示出了sigma-delta调制器的电路中的电源电压水平vdd和公共地水平vss。参考图1c所示，当输入电压v1较低时，运算放大器oa1的输出信号114相对靠近系统电压水平vdd，折线131的峰点133与电源电压水平vdd之间的差距m1较小，该差距m1也可以被称为供电裕度(supply margin)；当输入电压v1较高时，运算放大器oa1的输出信号114相对靠近公共地水平vss，折线132的谷点134与公共地水平vss之间的差距m2较小，该差距m2也
可以被称为接地裕度(ground margin)。
7.根据图1a-1c所示的sigma-delta调制器，运算放大器oa1的输出信号114的供电裕度和接地裕度都比较小，也就是说，该sigma-delta模数转换器所允许的电压摆幅空间较小。电压摆幅被限制在vdd-vref或vref-vss的电压摆幅空间中。较小的电压摆幅空间对运算放大器oa1的正常工作造成的限制。较小的电压摆幅空间还限制了积分器111中的电容c1的取值不能太大。
8.然而，为了使模数转换器具有较高的信噪比，电容c1的取值并不能太小。但是，大电容对于有限的电压摆幅空间来说，会影响积分器的精度，还会占用较大的芯片面积，增加电路的功耗。因此，期望模数转换器具有较大的摆幅空间，并且减小电容c1的大小。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是提供一种具有增大摆幅空间的sigma-delta模数转换器及其控制方法。
10.本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种sigma-delta模数转换器，其特征在于，包括积分单元和比较单元，其中，所述积分单元具有固定的第一参考信号，所述比较单元具有可变的第二参考信号，所述第二参考信号的幅值与所述模数转换器的输入模拟信号的幅值成正比。
11.在本发明的一实施例中，所述积分单元具有第一积分输入端、第二积分输入端和积分输出端，积分输入信号与所述第一积分输入端相连接，所述第一参考信号与所述第二积分输入端相连接，在所述第一积分输入端和所述积分输出端之间连接有第一电容；以及所述比较单元具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，所述积分输出端与所述第一比较输入端相连接，所述第二参考信号与所述第二比较输入端相连接，所述比较输出端输出比特流信号；其中，所述积分输入信号的幅值根据所述比特流信号而增大或减小。
12.在本发明的一实施例中，还包括反馈单元，与所述比较输出端相连接，所述反馈单元根据所述比特流信号控制所述积分输入信号的幅值。
13.在本发明的一实施例中，当所述比特流信号为1时，所述积分输入信号的幅值减小，所述第二参考信号的幅值减小；当所述比特流信号为0时，所述积分输入信号的幅值增大，所述第二参考信号的幅值增大。
14.在本发明的一实施例中，所述反馈单元包括与所述输入模拟信号相连接的开关模式电流源，当所述比特流信号为1时，所述开关模式电流源开启，使所述积分输入信号的幅值减小；当所述比特流信号为0时，所述开关模式电流源关闭，使所述积分输入信号的幅值增大。
15.在本发明的一实施例中，还包括：第二参考信号生成电路，包括第一阻抗和电流源，所述第一阻抗的第一端与所述电流源相连接，所述第一阻抗的第二端与所述开关模式电流源相连接，所述第一端提供所述第二参考信号。
16.在本发明的一实施例中，所述第一阻抗包括非线性阻抗元件。
17.本发明为解决上述技术问题还提出一种sigma-delta模数转换器的控制方法，所述模数转换器包括积分单元和比较单元，其特征在于，包括：向所述积分单元提供固定的第一参考信号；以及向所述比较单元提供可变的第二参考信号，所述第二参考信号的幅值与
所述模数转换器的输入模拟信号的幅值成正比。
18.在本发明的一实施例中，所述积分单元具有第一积分输入端、第二积分输入端和积分输出端，积分输入信号与所述第一积分输入端相连接，所述第一参考信号与所述第二积分输入端相连接，在所述第一积分输入端和所述积分输出端之间连接有第一电容；以及所述比较单元具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，所述积分输出端与所述第一比较输入端相连接，所述第二参考信号与所述第二比较输入端相连接，所述比较输出端输出比特流信号；其中，所述积分输入信号的幅值根据所述比特流信号而增大或减小。
19.在本发明的一实施例中，当所述比特流信号为1时，所述积分输入信号的幅值减小，所述第二参考信号的幅值减小；当所述比特流信号为0时，所述积分输入信号的幅值增大，所述第二参考信号的幅值增大。
20.根据本发明的sigma-delta模数转换器及其控制方法，为比较单元提供了可变的第二参考信号，使模数转换器具有较大的摆幅空间。该较大的摆幅空间既可以允许降低电源电压，还可以减小电容尺寸，从而减小模数转换电路所需的面积。
附图说明
21.为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
22.图1a是一种sigma-delta模数转换器的结构示意图；
23.图1b是一种一阶sigma-delta调制器的结构示意图；
24.图1c是图1b所示的sigma-delta调制器在工作状态下的部分信号波形图；
25.图2是本发明一实施例的sigma-delta模数转换器的结构示意图；
26.图3是本发明另一实施例的sigma-delta模数转换器的结构示意图；
27.图4是图3所示实施例的sigma-delta模数转换器在工作状态下的部分信号波形图；
28.图5是本发明一实施例的sigma-delta模数转换器的控制方法的示例性流程图。
具体实施方式
29.为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
30.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
31.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
32.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示
和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
33.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
34.应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
35.本技术中使用了流程图用来说明根据本技术的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
36.图2是本发明一实施例的sigma-delta模数转换器的结构示意图。参考图2所示，该实施例的sigma-delta模数转换器200(以下简称为“模数转换器”)包括：积分单元210和比较单元220，其中，该积分单元210具有固定的第一参考信号vref1，该比较单元220具有可变的第二参考信号vref2，第二参考信号vref2的幅值与模数转换器200的输入模拟信号input的幅值成正比。
37.参考图1a所示，根据sigma-delta模数转换器的功能，模数转换器200可以根据输入模拟信号input在比较单元220的输出端221输出比特流信号。
38.参考图2所示，第一参考信号vref1具有固定的幅值。该第一参考信号vref1对于积分单元210的作用与图1b中所示的参考信号vref对于积分器111的作用相同。
39.参考图2所示，第二参考信号vref2的幅值可以随着输入模拟信号input的幅值成正比变化，也就是说，当输入模拟信号input的幅值增大时，第二参考信号vref2的幅值也增大，当输入模拟信号input的幅值减小时，第二参考信号vref2的幅值也减小。
40.图2所示仅为示例，并不用于限定如何使第二参考信号vref2随着输入模拟信号input的变化而变化的具体实施方式。本领域技术人员基于本发明的思想可以采用任意的方式使第二参考信号vref2的幅值与模数转换器200的输入模拟信号input的幅值成正比。
41.本发明对于输入模拟信号input、第一参考信号vref1和第二参考信号vref2具体是哪种电信号不做限制，其可以是电流信号或电压信号。若无特殊指定，本说明书中提到信号的大小或高低是指信号的幅值的大小，对于电流信号是指电流的幅值，对于电压信号是指电压的幅值。
42.根据图2所示的模数转换器200，对较大或较高的输入模拟信号input采用较大的第二参考信号vref2，对较小或较低的输入模拟信号input采用较小的第二参考信号vref2，
可以增大模数转换器200的摆幅空间，在此基础上可以允许积分单元210中采用较大的电容器，例如第一电容c1，提高模数转换器200的整体性能。
43.图3是本发明另一实施例的sigma-delta模数转换器的结构示意图。参考图3所示，该模数转换器300包括积分单元310和比较单元320，其中，积分单元310具有第一积分输入端311、第二积分输入端312和积分输出端313，积分输入信号v1与第一积分输入端311相连接，第一参考信号vref1与第二积分输入端312相连接，在第一积分输入端311和积分输出端313之间连接有第一电容c1；比较单元320具有第一比较输入端321、第二比较输入端322和比较输出端323，积分输出端313与第一比较输入端321相连接，第二参考信号vref2与第二比较输入端322相连接，比较输出端323输出比特流信号bs；其中，积分输入信号v1的幅值根据比特流信号bs而增大或减小。
44.在优选实施例中，积分输入信号v1、第一参考信号vref1和第二参考信号vref2都是电压信号，输入模拟信号input是电流信号。
45.积分输入信号v1的幅值同时受到输入模拟信号input和比特流信号bs影响。当输入模拟信号input是电流信号时，积分输入信号v1的幅值随着输入模拟信号input的输入逐渐增大。具有固定幅值的第一参考信号vref1作为积分单元310的一个输入信号，积分输入信号v1作为积分单元310的另一个输入信号。根据积分单元310的功能，当v1》vref1时，积分单元310的积分输出端313的积分输出信号v2会降低，以阻止积分输入信号v1继续增大。
46.当积分单元310的积分输出信号v2《vref2时，比较单元320输出一个高电平，即比特流信号bs＝1。当积分单元310的积分输出信号v2》vref2时，比较单元320输出一个低电平，即比特流信号bs＝0。
47.参考图3所示，在一些实施例中，本发明的模数转换器300还包括反馈单元330，该反馈单元330可以根据比特流信号bs控制积分输入信号v1的幅值。
48.在一些实施例中，当比特流信号bs＝1时，积分输入信号v1的幅值减小，第二参考信号vref2的幅值减小；当比特流信号bs＝0时，积分输入信号v1的幅值增大，第二参考信号vref2的幅值增大。
49.本发明对反馈单元330的具体实现方式不做限制。
50.参考图3所示，在一些实施例中，反馈单元330包括与输入模拟信号input相连接的开关模式电流源j1，当比特流信号bs为1时，开关模式电流源j1开启，使积分输入信号v1的幅值减小；当比特流信号bs为0时，开关模式电流源j1关闭，使积分输入信号v1的幅值增大。
51.参考图3所示，开关模式电流源j1包括三个端子a、b、c。输入模拟信号input连接到端子a，比特流信号bs连接到端子c，端子c与公共地水平vss相连接。以下对该反馈单元330的工作原理做出说明。
52.假设在初始状态时，开关模式电流源j1处于关闭状态，积分输入信号v1随着输入模拟信号input的输入而逐渐增大。当v1》vref1时，积分输出信号v2减小。当v2《vref2时，比较单元320输出一个高电平，即比特流信号bs＝1。此时，开关模式电流源j1开启，使积分输入信号v1被拉低。当v1《vref1时，积分输出信号v2增大。当v2》vref2时，比较单元320输出一个低电平，即比特流信号bs＝0。此时，开关模式电流源j1关闭，积分输入信号v1的幅值再次被逐渐增大。
53.如此，本发明的模数转换器300在工作状态下，根据以上所述的控制环路的工作原
理使比较单元320输出的比特流信号bs根据积分输入信号v1的幅值而变化，并且比特流信号bs的占空比和积分输入信号v1的变化规律相对应。
54.图4是本发明一实施例的sigma-delta模数转换器在工作状态下的部分信号波形图。该部分信号对应于图3所示的模数转换器300。
55.参考图4所示，其中的折线411、412表示积分单元310的积分输出端313所输出的积分输出信号v2；方波421、422表示比较单元320的比较输出端323所输出的比特流信号bs；两条虚线分别对应于两种不同大小的第二参考信号vref2。折线411、412中的上升段和下降段分别对应第一电容c1的充电过程和放电过程。其中，折线411对应于积分输入信号v1较小的情况，此时的第二参考信号vref2也较小；折线412对应于积分输入信号v1较大的情况，此时的第二参考信号vref2也较大。
56.方波421、422中的高电位表示比特流信号bs中的数字“1”，低电位表示比特流信号bs中的数字“0”。比特流信号bs的占空比(duty-cycle)指在一个周期内数字“1”占整个周期的比例，方波421的占空比较小，方波422的占空比较大。
57.图4中还示出了电源电压水平vdd和公共地水平vss。参考图4中的折线411所示，当积分输入信号v1较小时，由于第二参考电压vref2也较小，积分输出信号v2整体位于vdd和vss之间的中间位置，折线411的峰点413与电源电压水平vdd之间的供电裕度为m3；当积分输入信号v1较大时，由于第二参考电压vref2也较大，积分输出信号v2整体仍然位于vdd和vss之间的中间位置，折线412的谷点414与公共地水平vss之间的接地裕度为m4。对比图4和图1c所示，显然，本发明的模数转换器300使积分输出信号v2具有较大的供电裕度和接地裕度，使模数转换器300具有较大的摆幅空间。该较大的摆幅空间使本发明的模数转换器300既可以降低其供电电压，还可以减小第一电容c1的大小，从而减小整个模数转换器300在芯片上的占用面积。在一些情况下，当电压摆幅空间增加到原来的两倍时，第一电容c1的大小可以是原来的一半。
58.参考图3所示，在一些实施例中，本发明的模数转换器300还包括第二参考信号生成电路340，包括第一阻抗r1和电流源j2，第一阻抗r1的第一端341与电流源j2相连接，第一阻抗r1的第二端342与开关模式电流源j1相连接，第一端341提供第二参考信号vref2。
59.如图3所示，第一阻抗r1的第二端342连接到开关模式电流源j1的端子b。从而使第二参考信号vref2可以随着积分输入信号v1的变化而变化。当积分输入信号v1较大时，第二参考信号vref2也较大；当积分输入信号v1较小时，第二参考信号vref2也较小。
60.本发明对电流源j2的类型不做限制。在一些实施例中，电流源j2和开关模式电流源j1是相同类型的电流源。
61.本发明对第一阻抗r1的类型和大小不做限制。第一阻抗r1可以是电阻、电感、电容等阻抗元件，或者是由多个多种阻抗元件所组成的阻抗网络。
62.在优选的实施例中，第一阻抗r1包括非线性阻抗元件，具有非线性特性。这样，可以避免第二参考信号vref2过小而影响比较单元320输出的比特流信号bs。
63.图3所示的模数转换器300中的积分单元310中包括一个积分器，也即，该模数转换器300为一阶模数转换器。参考图3所示，在一些实施例中，在积分单元310和比较单元320之间还可以包括多个积分单元350，串联的积分单元的个数决定了该模数转换器300的阶数。可以根据需要来设置积分单元350的个数。在这些实施例中，第一参考电压vref1同时作为
多个积分单元的参考信号。
64.图5是本发明一实施例的sigma-delta模数转换器的控制方法的示例性流程图。本发明实施例的控制方法所用来控制的模数转换器中应包括如前文所述的积分单元和比较单元。参考图5所示，该实施例的控制方法包括以下步骤：
65.步骤s510：向积分单元提供固定的第一参考信号；以及
66.步骤s520：向比较单元提供可变的第二参考信号，该第二参考信号的幅值与模数转换器的输入模拟信号的幅值成正比。
67.本发明的控制方法可以由前文所述的模数转换器来执行，因此前文的说明内容和附图都可以用来说明本发明的控制方法。
68.本发明的控制方法还可以由其他的控制电路和模数转换器来执行。
69.如前文所述，在一些实施例中，积分单元具有第一积分输入端、第二积分输入端和积分输出端，积分输入信号与第一积分输入端相连接，第一参考信号与第二积分输入端相连接，在第一积分输入端和所述积分输出端之间连接有第一电容；以及比较单元具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，积分输出端与第一比较输入端相连接，第二参考信号与第二比较输入端相连接，比较输出端输出比特流信号；其中，积分输入信号的幅值根据比特流信号而增大或减小。在一些实施例中，当比特流信号为1时，积分输入信号的幅值减小，第二参考信号的幅值减小；当比特流信号为0时，积分输入信号的幅值增大，第二参考信号的幅值增大。
70.根据本发明的控制方法，为比较单元提供了可变的第二参考信号，使模数转换器具有较大的摆幅空间。该较大的摆幅空间既可以允许降低电源电压，还可以减小电容尺寸，从而减小模数转换电路所需的面积。
71.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
72.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
73.一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。