单级二阶前馈Sigma-Delta调制方法及调制器

摘要

本发明涉及模数转换器。为提供一种匹配性及稳定性高的模数转换器，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，单级二阶前馈Sigma-Delta调制器，结构为：依次相连的采样保持电路1、开关S1、加法器、积分器5、延迟单元D1、积分器9、延迟单元D2、另一个加法器、模数转换器ADC、开关S16、延迟单元D4、数字滤波器H1(z)、再一个加法器输出；积分器5的输入端分别通过三条并接的支路连接到积分器5的输出端，一条支路为串接的开关S4、采样保持电路2、开关S3；一条支路为串接的开关S6、采样保持电路3、开关S5；一条支路为串接的开关S8、采样保持电路4、开关S7。本发明主要应用于模数转换器设计。

说明书

技术领域

本发明涉及模数转换器，具体讲，涉及单级二阶前馈Sigma-Delta调制器。

背景技术

Sigma-Delta型模数转换器（analog to digital converter，ADC）是一种过采样ADC, 具有很高的量化精度，可以实现20bit以上的量化精度。但是其采样频率远高于奈奎斯特采 样率的ADC，因此速度很慢，多用于音频范围。要想得到高品质的声音信号，就需要高精度 的模数转换器，将模拟的声音信号转换为数字信号。因此需要高精度的Sigma-Delta ADC。 典型的Sigma-Delta ADC结构可以表示为图1的结构形式。由Sigma-Delta调制器（1）和数 字抽取滤波器组成（2）。其中Sigma-Delta调制器用于降低ADC的量化噪声，提高ADC的精 度，是核心部分；数字抽取滤波器用于经过噪声整形后的信号提取出来并进行滤波。

Sigma-Delta调制器是典型的噪声整形调制器结构。图2为典型的单级Sigma-Delta调 制器结构图。主要由噪声整形环路(1)、内部量化器(2)、反馈回路(3)三个部分组成。其中， 反馈回路和噪声整形环路决定了调制器的结构，根据反馈回路和噪声整形环路的不同，可以 得到不同的sigma-delta调制器结构。整形环路阶数越高，噪声整形效果越好，精度越高， 但是其稳定性越差。要提高精度，并保持其高稳定性，现有技术提供的解决办法是采用多级 噪声整形(multi-stage noise-shaping，MASH)调制器结构。典型的MASH调制器结构可以表 示为图3的结构形式。包括:第一级调制器(1)、第二级调制器(2)通过加法器相连接，其输出 通过两个不同的数字滤波器(3)(4)通过加法器连接后输出。由于集成电路工艺造成的器件本 身匹配精度有限，因此第一级和第二级调制器之间匹配精度差，使得MASH调制器输出精度降 低。

图4为一种现有技术提供的低失真二阶前馈Sigma-Delta调制器结构。噪声整形环路(6) 由两个积分器(1)(2)和一个放大器(3)组成，反馈回路使用的数模转换器(5)（digital to analog converter，DAC）。积分器的个数决定了噪声整形环路的阶数。 图5为一种现有技术提供的MASH结构的调制器。其第一级(1)和第二级(2)噪声整形环路是图 1所示的二阶Sigma-Delta调制器。称为MASH2-2调制器结构。

要提高Sigma-Delta调制器的精度，可以通过增加单级噪声整形环路的阶数，但是会降 低其稳定性；使用MASH结构，会存在匹配性的问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种匹配性及稳定性高的模数转换器，为达到上 述目的，本发明采取的技术方案是，单级二阶前馈Sigma-Delta调制器，结构为：依次相连 的采样保持电路1、开关S1、加法器、积分器5、延迟单元D1、积分器9、延迟单元D2、另 一个加法器、模数转换器ADC、开关S16、延迟单元D4、数字滤波器H1(z)、再一个加法器输 出；

积分器5的输入端分别通过三条并接的支路连接到积分器5的输出端，一条支路为串接 的开关S4、采样保持电路2、开关S3；一条支路为串接的开关S6、采样保持电路3、开关S5； 一条支路为串接的开关S8、采样保持电路4、开关S7；

积分器9的输入端分别通过三条并接的支路连接到积分器9的输出端，一条支路为串接 的开关S10、采样保持电路6、开关S9；一条支路为串接的开关S12、采样保持电路7、开关 S11；一条支路为串接的开关S14、采样保持电路8、开关S13；

采样保持电路1经开关S2、延迟单元D3连接到另一个加法器输入；

模数转换器ADC的输出经数模转换器DAC、开关S15连接到所述加法器的输入；

所述加法器的输入连接到所述另一个加法器的输入；

延迟单元D1的输出通过放大器2连接到所述另一个加法器的输入；

模数转换器ADC的输出经开关S17、延迟单元D5、数字滤波器H2(z)、再一个加法器输 出。

单级二阶前馈Sigma-Delta调制方法，借助于前述调制器实现，并包括如下步骤：

每个采样周期分为四个阶段，A、B阶段和C、D阶段，A、B阶段处理第一级的信号，C、 D阶段处理第二级的信号；

工作开始时，开关S1、S15打开，处理第一级信号：A阶段，开关S4、S10打开，对积 分器复位，清除前一个阶段积分器中存储的值；开关S6、S12打开，装入上一个第一级信号 处理阶段积分器中的值；开关S16打开，将第一级信号处理的结果输出；B阶段，开关S1、 S4、S6、S10、S12、S15、S16断开，开关S3、S5、S9、S11打开，采样积分器的输出信号， 并保持起来；

接下来，开关S2、S15打开，处理第二级信号；C阶段，开关S4、S10打开，对积分器 复位，清除前一个阶段积分器中存储的值；开关S8、S14打开，装入上一个第二级信号处理 阶段积分器中的值；开关S17打开，将第二级信号处理的结果输出；D阶段，开关S2、S4、 S8、S10、S14、S15、S17断开，开关S3、S7、S9、S13打开，采样积分器的输出信号，并保 持起来，从而完成一个采样周期。

本发明的技术特点及效果：

本发明采用低失真单级二阶噪声整形环路，通过分时复用的技术实现四阶的整形效果， 与MASH结构相比，提高了匹配性，并且能够实现四阶的噪声整形精度，具有较高的稳定性 和匹配精度。

附图说明

图1现有技术提供的典型Sigma-Delta ADC结构。

图2现有技术提供的典型Sigma-Delta调制器结构。

图3现有技术提供的MASH结构调制器结构。

图4现有技术提供的单级低失真二阶前馈sigma-delta调制器结构。

图5现有技术提供的MASH2-2调制器结构。

图6本发明公开的可实现四阶噪声整形的单级二阶前馈Sigma-Delta调制器结构。

图7S1～S17工作时序。

具体实施方式

考虑到单级结构的整形环路只有二阶，整形效果不够好，精度不够高，但是稳定性好。 MASH结构精度高，但是匹配性差。所以本发明考虑采取一种噪声整形环路复用的结构，将单 级二级调制器和MASH2-2调制器结构结合起来，取各自的优点。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图6为本发明公开的可实现四阶噪声整形的单级二阶前馈sigma-delta调制器结构。包 括输入信号经过采样保持电路(1)，进入一阶积分器(5)。采样保持电路(2)，通过开关S3、 S4，用于复位积分器(5)；采样保持电路(3)(4)，分别用于采样和保持第一级和第二级调制器 的输出信号。经过延迟单元D1(10)，进入二阶积分器(9)。采样保持电路(6)，通过开关S9、 S10，用于复位积分器(6)；采样保持电路(7)(8),分别用于采样和保持第一级和第二级调制器 的输出信号。经过延迟器D2(11)，进入ADC量化。量化后经过积分器D4(13)、D5(14)，进入 数字滤波器。反馈环路采用的是一个DAC。该结构用单级调制器通过分时复用实现了MASH2-2 的功能，而且比MASH2-2结构具有更好的匹配性。

该结构工作时，每个采样周期分为四个阶段，A、B阶段和C、D阶段，A、B阶段处理第 一级的信号，C、D阶段处理第二级的信号。

图7为S1～S17的工作时序。工作开始时，S1、S15开关打开，处理第一级信号。A阶段， S4、S10开关打开，对积分器复位，清除前一个阶段积分器中存储的值；S6、S12开关打开， 装入上一个第一级信号处理阶段积分器中的值；S16开关打开，将第一级信号处理的结果输 出。B阶段，S1、S4、S6、S10、S12、S15、S16断开，S3、S5、S9、S11打开，采样积分器 的输出信号，并保持起来。

接下来，S2、S15打开，处理第二级信号。C阶段，S4、S10开关打开，对积分器复位， 清除前一个阶段积分器中存储的值；S8、S14开关打开，装入上一个第二级信号处理阶段积 分器中的值；S17开关打开，将第二级信号处理的结果输出。D阶段，S2、S4、S8、S10、S14、 S15、S17断开，S3、S7、S9、S13打开，采样积分器的输出信号，并保持起来。这样就完成 了一个采样周期。

图6中的延迟器D，用于调整第一级信号和第二级信号处理的阶段，以保证两级信号输 出能够匹配。

图6中的数字滤波器H1(z)和H2(z)两个结构是用于实现第一级信号与第二信号处理后以 完成相加，与MASH2-2结构中的数字滤波器相同。

表1为图中D1～D5延迟器延迟的阶段个数。

当过采样率为64，ADC和DAC量化位数为2位，带宽为20KHz时，量化位数为23Bit，完成 了四阶噪声整形。环路只有2阶，稳定性好，相比MASH结构调制器，只有一级环路，匹配性 好。

本发明适用于音频应用，输入峰值小于等于0.7V。

表1

名称 延迟阶段个数 名称 延迟阶段个数 D1 3 D4 4 D2 3 D5 2 D3 2 \ \