可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器

摘要

本发明属于集成电路设计领域，具体为一种可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器。该调制器由可配置的环路滤波器、多位量化器和反馈数模转换器构成。在电路结构上，环路滤波器采用三阶有源RC滤波器结构，多位量化器采用内插方法实现，反馈数模转换器采用高速的动态元件匹配技术。该调制器在不同带宽模式下，能够在带谐振子的分布式前馈结构、带谐振子的分布式反馈结构之间切换，从系统级上实现各带宽区间内精度与能效的优化。该调制器能在1.2V电源电压下，将连续的模拟信号输入转换成离散的数字信号输出，其信号带宽可配置在5MHz、10MHz、15MHz和20MHz四种模式，精度可达11~12位，能够覆盖无线通信协议LTE的各个频段范围。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种可重构的连续时间型的高速低功耗sigma-delta调制器。

背景技术

随着集成电路工艺水平提高、市场需求日益膨胀，无线通信领域迅速兴起。为降低功耗、提高系统集成度、减小设计成本，从接收机架构上，大量的信号处理功能从模拟域转移到数字域完成，因此实现模拟域和数字域接口的模数转换器(Analog to Digital Converter)有向射频前端转移的趋势。但同时，模数转换器越靠近接收机前端，对模数转换器的带宽提出了更高的要求，达到兆赫兹级应用。

在20世纪90年代，由于无线通信系统中技术复杂度不断提高、硬件系统越来越庞大，“软件无线电”的概念应运而生，在通用硬件基础上利用软件编程来实现不同的功能。为支持多种通信标准的中频可编程数字接入能力，这个开放的公用硬件平台需要具备灵活的可重构能力，即对构成通信系统的各个模块提出了可重构要求。另外，在各种通信协议中，由于在不同的载波频段通信而划分不同的数字基带，因此接收机也需要在不同带宽、甚至精度等要求上提供硬件支持。例如，无线通信协议LTE标准需要灵活地支持1.25MHz-20MHz间的多种基带带宽，对模数转换器的精度要求11-12位。针对上述应用背景，可重构sigma-delta模数转换器以其面积小、精度高、功耗低而成为热门的解决方案。sigma-delta调制器的基本原理是，应用过采样技术以及噪声整形技术，将带内的量化噪声转移至带外，再通过数字滤波器将带外噪声滤除，进而实现较高的精度。

从环路滤波器实现方法上，过采样型sigma-delta调制器分为离散时间型和连续时间型。相比于离散时间型，连续时间型节省前端抗混叠滤波器、降低系统级对积分器中运算放大器带宽的要求，具有功耗和速度的优势。所以，在通信系统的兆赫兹级应用中，通常采用连续时间型sigma-delta调制器。

从系统结构上，sigma-delta调制器分为分布式前馈和分布式反馈两种。以三阶系统为例，图1(a)为带谐振子的分布式前馈结构，图1(b)为带谐振子的分布式反馈结构。分布式前馈结构的信号传递函数近似平坦，但在高频处的凸起会放大噪声和干扰信号；前馈结构的优点在于各积分器仅处理噪声信号，输出摆幅较小，所以对后级运算放大器的带宽要求会降低，节省功耗，适合于精度要求适中、较大信号带宽的应用。而反馈结构中各级积分器需处理含有较多高频噪声的反馈信号，输出摆幅较大，所以对反馈节点处积分器运算放大器的要求较高；但反馈结构的信号传递函数具有低通特性，对带外干扰信号有抑制作用，适合于精度要求较高、带宽较低的通信应用场景。

对于多种模式通信系统而言，可重构sigma-delta模数转换器是一种节省硬件开销、优化能效的方案。在评估模数转换器的性能时，通常采用式(1)所示的FOM(Figure of Merit)值作为衡量标准。FOM值越小，代表调制器的能效利用率越高。

                                         (1)

其中P表示模数转换器的功耗，BW为信号带宽频率，ENOB为所达到的有效位数。由式(1)也可以看出，在多模应用背景下，若将模数转换器按照固定带宽、精度的模式设计，必然造成硬件和能耗的浪费。现有的可重构sigma-delta模数转换器解决方案，无论是改变过采样时钟频率，还是调整电路中硬件参数等配置方法，都只能优化较小的带宽范围，在覆盖的所有信号带宽范围内难以达到小而均衡的FOM值。在不同信号带宽模式下，FOM值的最大值和最小值之间相差3倍以上。并且，在现有可重构方案中，sigma-delta调制器在高带宽模式下普遍存在精度较低(约10位)的问题。主要原因是反馈数模转换器在高频处存在性能衰减，其非线性限制了sigma-delta调制器的精度；同时在高带宽模式下，时钟抖动对精度的恶化也愈加严重。因此，在可重构sigma-delta调制器中，抑制反馈数模转换器的非线性以及时钟抖动的影响，成为高带宽模式的设计挑战；而在解决不同信号带宽模式下的能效均衡方面，还需要提供新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重构的、连续时间型的高速低功耗sigma-delta调制器。

本发明提供的可重构sigma-delta调制器，由可配置环路滤波器，可配置多位量化器，带动态元件匹配单元DEM的可配置反馈数模转换器构成。其中：

所述可配置环路滤波器由4级高增益运算放大器A1、A2、A3和A4，积分电阻R1p、R1n，前馈电阻Ran、Rap，求和电阻R4p、R4n，可调积分电阻阵列R2p-R3p、R2n-R3n，前馈电阻阵列Rf1p-Rf3p、Rf1n-Rf3n，局部谐振子反馈的电阻阵列Rgn、Rgp，电容阵列C1a、C2a、C3a、C1b、C2b、C3b，经电路连接构成；其中，由第一级到第三级运算放大器A1、A2、A3各自构成的积分器、及由第四级运放A4构成的求和器依次串联；积分电阻R1p、R1n连接在第一级运放A1输入端和环路滤波器输入端之间，前馈电阻Ran、Rap连接在第四级运放A4输入端和环路滤波器输入端之间，求和电阻R4p、R4n连接在第四级运放A4的输入端和环路滤波器输出端之间，可调积分电阻阵列R2p、R2n连接在第一级运放A1输出端和第二级运放A2输入端之间，可调积分电阻阵列R3p、R3n连接在第二级运放A2输出端和第三级运放A3输入端之间，前馈电阻阵列Rf1p、Rf1n一端连接在第一级运放A1输出端、另一端经过开关装置Switch 1连接在第四级运放A4输入端，前馈电阻阵列Rf2p、Rf2n连接在第一级运放A1输出端和第三级运放A3输入端之间，前馈电阻阵列Rf3p、Rf3n连接在第三级运放A3输出端和第四级运放A4输入端之间，局部谐振子反馈电阻阵列Rgn、Rgp连接在第二级运放A2输入端和第三级运放A3输出端之间；电容阵列C1a、C1b跨接在第一级运放A1的输入端和输出端之间，电容阵列C2a、C2b跨接在第二级运放A2的输入端与输出端之间，电容阵列C3a、C3b跨接在第三级运放A3的输入端与输出端之间。

所述可配置反馈数模转换器由电流型反馈数模转换器I_DAC1、I_DAC2、I_DAC3以及动态元件匹配单元DEM 和延时单元DFF组成；其中，动态元件匹配单元DEM、延时单元DFF依次串联在可配置多位量化器输出端和电流型反馈数模转换器输入端之间；电流反馈型数模转换器I_DAC1连接在延时单元DFF输出端和可配置环路滤波器第一级运放A1的输入端；电流反馈型数模转换器I_DAC2一端连接在延时单元DFF输出端，一端经开关装置Switch2连接在可配置环路滤波器第三级运放A3的输入端；电流反馈型数模转换器I_DAC3连接在延时单元DFF输出端和可配置环路滤波器第四级运放A4的输入端。

所述可配置多位量化器，由高速预放大器、直接比较级、内插比较级、锁存器以及开关装置构成。在预放大级，高速预放大器的输入端与参考电平、可配置环路滤波器输出端相连接；在比较级，通过直接比较级与内插比较级交替分布，来实现内插；直接比较级的差分正、负输入端与高速预放大器的正、负输出端相连接，直接比较级的输出端与锁存器输入端相连接，且直接比较级与高速预放大器存在一一对应关系；内插比较级的差分正、负输入端与相邻两个直接比较级对应的高速预放大器的负、正输出端相连接，内插比较级的输出端与锁存器输入端相连接；锁存器、开关装置依次串联在各直接比较级、内插比较级的输出端和可配置多位量化器的输出端之间。

本发明中，所述高增益运算放大器A1-A4的带宽、功耗，电阻阵列的阻值，电容阵列的容值，电流型反馈数模转换器I_DAC1、I_DAC2、I_DAC3的电流，以及多位量化器的量化台阶级数都可以根据模式要求进行配置。

本发明中，所述环路滤波器采用三阶有源RC滤波器结构，通过在前馈路径Rf1p、Rf1n和反馈路径I_DAC2上引入开关装置，分别实现带谐振子的分布式前馈结构、带谐振子的分布式反馈结构，从而使调制器在系统级可配置。同时采用将输入信号直接前馈至环路滤波器求和级、调制器二阶路径提前等方法，平坦信号传递函数的带内响应，降低调制器的直流功耗。这种可配置结构的低功耗连续时间型sigma-delta调制器能够在较大信号带宽内实现较均匀的FOM值，避免能效的浪费，适用于通信领域内支持多种基带模式的低功耗模数转换器应用。

本发明中，采用内插型可配置多位量化器，由高速预放大器、直接比较级、内插比较级、锁存器以及开关装置构成。高速预放大器将比较级与量化器输入端隔离，削弱失调电压对系统信噪比性能的恶化；高速预放大器较好的线性度，使得直接比较和内插比较的分辨精度相近，从而保证近似线性量化。通过开关装置转换，该量化器能够灵活地完成N级台阶、2N级台阶两种模式的量化，并且降低对时钟抖动的敏感性。采用内插型量化器，可以减少一半高速预放大器的数目，从而减轻可配置环路滤波器第四级运放A4的负载电容，优化静态功耗，进而降低系统的直流功耗。同时，该量化器的温度计码输出，与可配置反馈数模转换器的DEM单元能够较好地兼容。

本发明中，所述可配置电流型反馈数模转换器采用带动态元件匹配单元技术，能够与可配置多位量化器较好兼容，根据数模转换器控制码的相关性来决定单位电流源是否合并，进而决定数模转换器的转换模式，即M位和2M位模式的数模转换。同时，该数模转换器采用一种高速的动态元件匹配技术来改善非线性，一方面削弱谐波频率对调制器SNDR性能的恶化，另一方面缓解DEM单元的额外信号路径延时而带来的调制器稳定性问题，解决了高带宽模式下、可重构sigma-delta调制器中的反馈数模转换器的速度与性能的矛盾。其中，电流型数模转换器中含有2×(2^M-1)个单位电流源，这些电流源的控制码与量化器输出存在一一对应关系。当配置量化器工作在2N(N=2^M-1)级量化模式时，数模转换器的所有电流源的控制码独立，实现2M位的模数转换；当可配置量化器工作在N级量化模式时，量化器2N位输出总线中相邻两位码值相同，进而数模转换器中每两个电流源的控制码相关，实现M位的数模转换。这种带动态元件匹配技术的可配置电流型数模转换器，用较小的延时和硬件开销，换取调制器SNDR性能的改善，同时能够实现M位和2M位两种模式的数模转换，与可配置多位量化器兼容，增强可重构调制器的灵活性。

本发明设计的调制器在不同的带宽模式下，能够灵活地在带谐振子的分布式前馈结构、带谐振子的分布式反馈结构之间切换，从系统级上实现各个带宽区间内精度与能效的优化。该调制器能正常工作在1.2V电源电压下，将连续的模拟信号输入转换成离散的数字信号输出，在能耗较优的情况下，其信号带宽可配置在5MHz、10MHz、15MHz和20MHz四种模式，精度可达到11~12位，能够覆盖无线通信协议LTE的各个频段范围。

附图说明

图1(a)是背景技术中的带谐振子的三阶分布式前馈的sigma-delta调制器结构。

图1(b)是背景技术中的带谐振子的三阶分布式反馈的sigma-delta调制器结构。

图2是本发明的可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器的系统结构框图。

图3是本发明的可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器的电路结构框图。

图4是本发明的sigma-delta调制器中的可配置的多位量化器的电路结构图。

图5是本发明的sigma-delta调制器中的内插型量化器的开关装置示意图。

图6是本发明的sigma-delta调制器中的带高速DEM单元的可配置数模转换器的结构示意图。

图7是本发明的sigma-delta调制器中的DEM算法中组内“数据轮转”电路实现的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

立足于sigma-delta调制器的系统结构，分布式前馈结构具有高速、低功耗的特点，适合于精度要求适中、较大信号带宽的应用；分布式反馈结构具有信号带内平坦、抗干扰能力强的特点，适合于精度要求较高、信号带宽较低的应用。针对多种模式中带宽、精度不同的特点，为实现各带宽模式下的能效均衡，本发明在体系结构级提出了一种实施分布式前馈结构和分布式反馈结构相结合的可重构方案，图2为该sigma-delta调制器的系统结构框图。采用带谐振子的三阶系统结构，谐振子反馈路径g在噪声传递函数中插入零点，能够提高系统的信噪比；反馈路径kdac3对连续时间型sigma-delta调制器的额外环路延时进行补偿。当信号带宽为5MHz和10MHz模式时，通过配置开关装置Switch1、Switch2，前馈路径f1关断而反馈路径kdac2导通，构成带谐振子的分布式反馈结构。若不考虑额外环路延时，系统的传递函数可写为式(2)。调制器工作在该结构下，信号及噪声需经过环路滤波器抑制后才能到达输出级，因此系统的抗干扰能力强，能够达到较高的信噪比性能。当信号带宽为15MHz和20MHz模式时，通过配置开关装置Switch1、Switch2，前馈路径f1导通而反馈路径kdac2关断，形成带谐振子的分布式前馈结构。同样不考虑额外环路延时，系统的传递函数可写为式(3)。调制器工作在该结构下，信号能够通过前馈路径较快到达输出级，因此系统速度较快，并且能够节省功耗。   (2)

     (3)

理论上，前馈结构和反馈结构在信号流图上能够等效，即式(2)和式(3)间存在映射关系，只是两种结构中各节点处理信号频率成分不同，直接影响该节点处积分器运算放大器的单位增益带宽以及功耗。此外，该调制器的体系结构中还插入直接前馈路径a，使得信号传递函数STF=1，实现通带内平坦响应；同时将环路滤波器的二阶路径提前，由第二级积分器的输出端跨接在第四级求和器的输入端，转移至由第一级积分器的输出端跨接在第三级积分器的输入端，该路径的提前大大降低了对第四级求和器的运算放大器的带宽要求，进而降低系统的直流功耗。经过上述分析，本发明中的基于能效优化的系统结构可重构方案，适用于通信系统中多模宽带sigma-delta模数转换器应用。

图3为本发明的可重构的连续时间型高速低功耗sigma-delta调制器电路结构框图，由可配置的单环三阶有源RC滤波器、可配置多位量化器、带DEM算法单元的可配置电流反馈型数模转换器构成。在电路级，该调制器的可重构性体现为：通过开关Switch1和Switch2的配置，调制器可以实现带谐振子的分布式前馈结构和带谐振子的分布式反馈结构之间的转换；在环路滤波器中，各级积分器的运算放大器A1-A3和求和级运算放大器A4可以进行单位增益带宽的配置，辅助系统低功耗设计；关于环路滤波器的系数，各电阻阵列R2p-R3p、R2n-R3n、Rf1p-Rf3p、Rf1n-Rf3n、Rgn和Rgp的阻值，和电容阵列C1a、C1b，也可以根据带宽模式进行配置；在多位量化器及带DEM算法单元的数模转换器中，通过配置开关装置，能够在M位和2M位这两种模式间进行灵活地模数转换和数模转换，降低对高速时钟的抖动的敏感性；在反馈数模转换器中，采用与可配置相适应的高速DEM算法来改善非线性，提高调制器SNDR性能。

图4是本发明中的内插型可配置多位量化器的电路结构图。为降低系统的直流功耗、减小第四级求和运算放大器A4的电容负载，采用一种内插型量化器，并且通过开关装置能够实现不同量化台阶数N和2N。该量化器由高速预放大器、动态比较器、锁存器以及开关装置构成。高速预放大器放大环路滤波器输出与参考电平的差值，能够在较宽的带宽范围内保持一定的增益，隔离动态比较器的较大失调电压，削弱其对系统性能的恶化。动态比较器分为直接比较器和内插比较器两种，二者交替分布，如图4所示。直接比较器comp_2k的输入端vinp_(comp,2k)、vinn_(comp,2k)与预放大器preamp_k的输出voutp_(preamp,k)、voutn_(preamp,k)相连，内插比较器comp_2k+1的输入端vinp_(comp,2k+1)、vinn_(comop,2k+1)与预放大器preamp_k的输出voutn_(preamp,k)、预放大器preamp_k+1的输出voutp_(preamp,k+1)相连。提高预放大器的放大线性度，可以增加比较器的内插线性度。图5为该内插型量化器的开关装置示意图，系统工作时，使能开关EN导通，当开关SW1导通、开关SW2关闭时，每一个比较器的输出经锁存器后，直接连接至量化器的输出，量化器工作在2N级台阶模式；当开关SW2导通、开关SW1关闭时，量化器的相邻两位输出均与一个锁存的内插比较器输出相连，而舍弃相应的锁存的直接比较器输出，即量化器尽管有2N个输出码，但有一半的输出与其相邻的码值相同，此时工作在N级台阶模式。在本发明实例中，N=15，即实现15级和30级两种量化模式。这种可配置的内插型量化器，可以节省一半高速预放大器的数目，优化系统的功耗；同时，其可配置性能够与动态元件匹配技术实施单元DEM兼容，灵活地实施N级和2N级的可变台阶量化。

图6是本发明中带动态元件匹配DEM的可配置数模转换器的结构示意图。该数模转换器由高速DEM算法单元和可配置电流型数模转换器构成，能够兼容可配置的多位量化器，实现M位和2M位两种模式的数模转换。由于DEM算法仅改变多位量化器输出码的各位顺序，而不改变其码值，因此假定电流型数模转换器中含有2×(2^M-1)个单位电流源，这些电流源的控制码与量化器输出总存在一一对应关系。当可配置量化器工作在2N(N=2^M-1)级量化模式时，数模转换器的所有电流源的控制码相互独立，实现2M位的模数转换；当可配置量化器工作在N级量化模式时，量化器2N根输出总线中相邻两根码值相同，进而数模转换器中每两个电流源的控制码相关，这两个电流源可以视作合并为一个两倍于单位电流的大单位电流源，而实现M位的数模转换。这种数模转换器的配置方法，大大增强了调制器配置的灵活性。

由于存在工艺偏差，图3中的主反馈数模转换器I_DAC1的单位电流源间存在权重误差而导致数模转换的非线性，并且不能被调制器环路噪声整形，从而限制调制器的精度。因此，需要采用动态元件匹配DEM算法，将数模转换器单位电流源的权重误差平均化，抑制谐波分量对调制器SNDR性能的影响。同时，为满足高带宽模式的速度要求，可重构调制器中采用的DEM算法应具有易于配置、快速实施等特点。在本发明实例中，采用一种“多组的数据轮转”高速DEM算法。假定量化器输出为P×Q位的温度计码(P为偶数，Q为正整数)，按低位到高位排序标号，然后将标号对P求余数操作结果相同的元素划分为一组，再分别对各组内的Q个元素实施“数据轮转”算法。在选择使用的电流源时记忆元素标号的头指针与尾指针，当再次选择电流源时，将上次选择的尾指针作为此次选择的头指针，当组内所有电流源都被选中或者没有电流源被选中时，指针不发生移动。在本发明实例中，P=6，Q=5。图7为本发明实例的组内“数据轮转”电路实现的结构框图，由桶型移位器(Barrel shifter)、指针记忆单元和元素选择逻辑(ESL)构成。输入数据在当前指针sh控制下进行移位操作，产生的输出数据经过ESL产生下一周期指针ptr。直至下一周期有效时钟沿到来，指针记忆单元被刷新，产生当前周期下的指针信号sh。移位指针信号的产生按如此过程反复，而输入数据码就在该指针的控制下改变内部顺序。如图7所示，在数据路径上因DEM算法而引入的额外环路延时只有移位器的延时，因此只要在DEM算法后再用时钟下降沿同步输出数据，就可以避免由于额外环路而引起的环路稳定性问题。同时，这种高速DEM算法通过对数据进行分组，使得桶型移位器的数据量减少，即数据输入节点处电容减小，进一步对速度进行优化，非常适合于高速的内部多位量化的宽带sigma-delta调制器的设计应用，并且能够兼容可配置的多位量化器。

本次发明实例设计采用中芯国际0.13um混合信号工艺，在电源电压1.2V下进行电路设计，在信号带宽为5MHz/10MHz/15MHz/20MHz模式下，信噪比分别为83.87dB/79.40dB/76.16dB/71.86dB，FOM值分别为0.095/0.143/0.129/0.222 pJ/conv。上述结果表明，该可重构的连续时间型sigma-delta调制器能够满足LTE通信协议的多模系统的带宽和精度要求，具有FOM值分布较均匀、能效利用率高、低功耗的特点。该发明中的可重构方案和降低功耗的方法适用于高带宽的可重构sigma-delta调制器设计，也为无线通信协议的基带设计提供新思路。