專利名稱：單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電路領(lǐng)域,尤其是一種單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器。
背景技術(shù)：
Sigma-Delta調(diào)制器在集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。單比特Sigma-Delta調(diào)制器由于對元器件的精確匹配要求較低，易于在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝中實現(xiàn)，所以在含有數(shù)字信號處理的集成電路系統(tǒng)中比較有吸引力。圖I為現(xiàn)有技術(shù)的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的輸入級單端實現(xiàn)形式的 電路圖，其中采樣電容CS的負(fù)極板分別通過開關(guān)SI，S3和S4連接輸入電壓VI，正參考電壓+VR，負(fù)參考電壓-VR ;采樣電容CS的正極板分別通過開關(guān)S2連接到積分電容Cl的正極板和運(yùn)放OPAMP的負(fù)極板輸入端OP-;采樣電容CS的正極板通過開關(guān)S5接地，積分電容Cl的負(fù)極板連接到運(yùn)放的輸出端，運(yùn)放OPAMP的正端輸入端接地，運(yùn)放的輸出端同時連接到比較器的一端，比較器的另一端接地，比較器的輸出端和反相器INV的輸入端相連，反相器INV的輸入信號為DP,反相器INV的輸出信號為DN,其中，開關(guān)SI和S5由第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ1控制，開關(guān)S2由第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 2控制，開關(guān)S3由第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 2和反相器INV的輸出信號共同控制，開關(guān)S4由第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ2和反相器INV的輸入信號共同控制，其中第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ I和第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ2只存在一個有效控制信號，S卩，一個控制信號有效時另一個控制信號必然無效。其中開關(guān)S3和開關(guān)S4共同組成反饋DAC。當(dāng)?shù)谝豢刂葡渌a(chǎn)生的控制信號Φ I有效時，輸入電壓VI被采樣到采樣電容CS上，采樣電容CS上的壓降為-VI ;當(dāng)?shù)诙刂葡渌a(chǎn)生的控制信號Φ2有效時，采樣電容CS的正極板接運(yùn)放的負(fù)端輸入端，若比較器的輸出信號為+1時，開關(guān)S4閉合，開關(guān)S3斷開，采樣電容CS的負(fù)極板連接-VR ;若比較器的輸出信號為-I時，開關(guān)S3閉合，開關(guān)S4斷開，采樣電容CS的負(fù)極板連接+VR。當(dāng)?shù)诙刂葡渌a(chǎn)生的控制信號Φ2無效時，VI和+VR的電壓差或者VI和-VR的電壓差在采樣電容CS上所造成電荷變化會轉(zhuǎn)移到積分電容Cl上。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器輸入級單端實現(xiàn)形式的各節(jié)點(diǎn)波形。如圖2所示，在第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ I與第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ2有效無效時序圖中采樣電容CS的負(fù)極板電壓VA和正極板電壓VB的變化如下由第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號ΦI有效突變?yōu)榈诙刂葡渌a(chǎn)生的控制信號Φ2有效時，以比較器的輸出信號為+1的情況為例，此時采樣電容CS負(fù)極板從連接VI突變?yōu)檫B接-VR，在第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號ΦI和第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ2切換的瞬間，這時采樣電容CS的負(fù)極板的電壓會突變?yōu)?(VR+VI)，因為電容上的電荷不會發(fā)生突變，所以采樣電容CS正極板上的電壓(也就是運(yùn)放的負(fù)端輸入端0P-)也會突變?yōu)?(VR+VI)。當(dāng)VI=-VR 時，-(VR+VI) = O ;當(dāng) VI = O 時，-(VR+VI) =-VR ;當(dāng) VI = VR 時，-(VR+VI) =-2VR。由于運(yùn)放的正端接地，所以在第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ2有效時電容CS的正極板電壓即為運(yùn)放輸入端負(fù)端和輸入端正端之間的壓差。當(dāng)運(yùn)放兩個輸入端壓差絕對值小于等于Λ/ Γο /時(Vod為運(yùn)放輸入端對管的過驅(qū)電壓)，運(yùn)放工作在線性區(qū)，積分電容Cl上電壓的建立為線性過程。當(dāng)運(yùn)放輸入端兩端壓差絕對值大于Λ/ Γο /時運(yùn)放工作在非線性區(qū)，積分電容Cl上電壓的建立為非線性過程，表現(xiàn)為電流源對積分電容Cl充放電。一般運(yùn)放的的大概在幾百毫伏以內(nèi)，而在現(xiàn)有的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器中，運(yùn)放輸入端的電壓差經(jīng)常在I伏特甚至幾個伏特以上。由于運(yùn)放輸入端壓差絕對值過大后，會造成積分電容Cl的電壓的建立有可能進(jìn)入非線性兩個過程，使整個調(diào)制器的線性度降低。為了提高調(diào)制器的線性度，就要限制運(yùn)放輸入端壓差的絕對值在一定范圍內(nèi)。在現(xiàn)有的技術(shù)中，可以將調(diào)制器的比較器和反饋DAC由單比特改為多比特，這樣反饋DAC的輸出端電壓不只有+VR和-VR兩個離散值，而是由DAC比特數(shù)決定的多個離散值，且DAC的輸出端電壓跟隨輸入電壓VI，這樣運(yùn)放輸入端的壓差絕對值就較小，可以使運(yùn)放一直工作在線性區(qū)。但是多比特DAC引入的一個問題是由元器件(比如電容)的匹配性造成的DAC本身的非線性。此非線性的校正需要對元器件進(jìn)行修調(diào)或者采用比較復(fù)雜的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行動態(tài)匹配。這兩項技術(shù)都會增加額外的成本。

實用新型內(nèi)容本實用新型旨在解決單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器運(yùn)放輸入端壓差絕對值大于運(yùn)放輸入端對管的過驅(qū)電壓的技術(shù)問題，提供一種簡單、低成本的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器以有效降低運(yùn)放輸入端電壓差的絕對值。為解決上述技術(shù)問題,本實用新型提供一種單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器，包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)、采樣電容、積分電容、分壓電容、運(yùn)放、比較器和反相器；其中，所述采樣電容的負(fù)極板通過所述第一開關(guān)連接輸入電壓，并通過所述第三開關(guān)或第四開關(guān)連接正參考電壓或負(fù)參考電壓；所述采樣電容的正極板連接到分壓電容的正極板，并通過所述第二開關(guān)連接到所述積分電容的正極板和所述運(yùn)放的負(fù)端輸入端，并通過所述第五開關(guān)接地；所述分壓電容的負(fù)極板接地；所述積分電容的負(fù)極板連接到所述運(yùn)放的輸出端；所述運(yùn)放的正端接地；所述運(yùn)放的輸出端連接到所述比較器的一端，所述比較器的另一端接地，所述比較器的輸出端連接所述反相器的輸入端?？蛇x的，所述分壓電容的容值滿足下面公式(VRl + VIl)x Csl/(Csl + Cs) <-JlVod其中，VRl為所述正參考電壓；VI1為所述輸入電壓；Csl為所述采樣電容的容值；Ce為所述分壓電容的容值；Vod為所述運(yùn)放的輸入端對管的過驅(qū)電壓?？蛇x的，還包括第一控制箱和第二控制箱，其中，所述第一開關(guān)和第五開關(guān)由所述第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號控制，所述第二開關(guān)由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號控制，所述第三開關(guān)由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號和反相器的輸出信號共同控制，所述第四開關(guān)由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號和所述反相器的輸入信號共同控制?？蛇x的，所述第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號有效時，所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號無效。可選的，所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號有效時，所述第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號無效。本實用新型在單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器中增加了分壓電容，根據(jù)公式{VR\ + VI\)xCs\l{Cs\ + C’ck 選擇合適容值的分壓電容，便可以使運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值有效降低。相對于通過擴(kuò)展單比特反饋DAC到多比特反饋DAC而言，本實用新型并沒有增加很多成本也沒有增加更多的元器件的修調(diào)工作，既可使運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值可以降低到幾百毫伏以內(nèi)，完全可以實現(xiàn)運(yùn)放工作在線性區(qū)域的目的。

圖I為現(xiàn)有技術(shù)的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的輸入級單端實現(xiàn)形式的電路圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器輸入級單端實現(xiàn)形式的各節(jié)點(diǎn)波形；圖3為本實用新型的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的輸入級單端實現(xiàn)形式的電路圖；圖4為本實用新型的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器輸入級單端實現(xiàn)形式的各節(jié)點(diǎn)波形；圖5為本實用新型的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的全差分電路實現(xiàn)形式的電路圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，
以下結(jié)合附圖來進(jìn)一步做詳細(xì)說明。在背景技術(shù)中已經(jīng)提及，現(xiàn)有技術(shù)中，一般運(yùn)放的的大概在幾百毫伏以內(nèi)，而在現(xiàn)有的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器中，運(yùn)放輸入端的電壓差經(jīng)常在I伏特甚至幾個伏特以上，這會直接導(dǎo)致使整個調(diào)制器的線性度降低。為此，本實用新型在單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器中增加了分壓電容，根據(jù)公式(FM + VIl)y.Csll{Csl + Cck 選擇合適容值的分壓電容，便可以使運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值有效降低。相對于通過擴(kuò)展單比特反饋DAC到多比特反饋DAC而言，本實用新型并沒有增加很多成本也沒有增加更多的元器件的修調(diào)工作，本實用新型的運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值可以降低到幾百毫伏以內(nèi)，完全可以實現(xiàn)運(yùn)放工作在線性區(qū)域的目的。圖3為本實用新型的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的輸入級單端實現(xiàn)形式的電路圖。如圖3所示,本實用新型一實施例的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器11,包括第一開關(guān)S11、第二開關(guān)S12、第三開關(guān)S13、第四開關(guān)S14、第五開關(guān)S15、采樣電容CS1、積分電容Cl I、分壓電容CC、運(yùn)放OPAMPl、比較器I和反相器INVl。其中，采樣電容CSl的負(fù)極板通過開關(guān)第一開關(guān)SI I連接輸入電壓VII，采樣電容CSl的負(fù)極板通過第三開關(guān)S13或第四開關(guān)S14連接正參考電壓+VRl或負(fù)參考電壓-VRl ;采樣電容CSl的正極板連接到分壓電容CC的正極板，采樣電容CSl的正極板分別通過第二開關(guān)S12連接到積分電容CIl的正極板和運(yùn)放OPAMPl的負(fù)端輸入端OPl-;采樣電容CSl的正極板通過第五開關(guān)S15接地；分壓電容的負(fù)極板接地；積分電容CIl的負(fù)極板連接到運(yùn)放的輸出端；運(yùn)放OPAMPl的正端輸入端接地；運(yùn)放OPAMPl的輸出端連接到比較器I的一端，比較器I的另一端接地，比較器I的輸出端連接到反相器INVI的輸入端，反相器INVI的輸入信號為DPl，反相器INVI的輸出信號為DNl。此外，所述的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器還包括第一控制箱和第二控制箱(第一控制箱和第二控制箱圖中未不出)，其中第一開關(guān)Sll和第五開關(guān)S15由第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ11控制，第二開關(guān)S12由第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ12控制，第三開關(guān)S13由第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ12和反相器INVl的輸出信號共同控制，具體為，第三開關(guān)S13由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號和反相器的輸出信號所產(chǎn)生的與邏輯信號來控制所述第三開關(guān)，第四開關(guān)S14由第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 12和反相器INVl的輸入信號共同控制，具體為，第四開關(guān)S14由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號和所述反相器的輸入信號所產(chǎn)生的與邏輯信號來控制所述第四開關(guān)。其中第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 11和第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 12只存在一個有效控制信號，SP，一個控制箱所產(chǎn)生的控制信號有效時另一個控制箱所產(chǎn)生的控制信號必然無效。圖4為本實用新型的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器輸入級單端實現(xiàn)形式的 各節(jié)點(diǎn)波形。如圖4所示，在第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 11與第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 12有效無效時序圖中采樣電容CSl的負(fù)極板電壓VAl和正極板電壓VBl的變化如下由第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ11有效突變?yōu)榈诙刂葡渌a(chǎn)生的控制信號Φ12有效時，以比較器I的輸出信號為+1的情況為例，此時采樣電容CSl負(fù)極板從連接輸入電壓VII突變?yōu)檫B接負(fù)參考電壓-VRl，在第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ 11和第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號Φ12切換的瞬間，由于米樣電容CSl正極板和分壓電容CC正極板的電荷綜合不能發(fā)生突變，采樣電容CSl正極板電壓突變?yōu)?(VR1+VI1) XCsl/(Csl+Cc)，即運(yùn)放OPAMPl輸入端兩端的壓差絕對值突變?yōu)?VR1+VI1) XCsl/(Csl+Cc)，其中，VRl為所述正參考電壓；VI1為所述輸入電壓；Csl為所述采樣電容CSl的容值；Cc為所述分壓電容CC的容值。分壓電容CC的容值Ce滿足公式(KM + VI\)x Cs\l(Cs\ + Ce) <拉od，其中，Vod為所述運(yùn)放的輸入端對管的過驅(qū)電壓。當(dāng)VIl =VRl時，運(yùn)放OPAMPl輸入端兩端的壓差絕對值達(dá)到最大，為2VRlXCsl/(Csl+Cc)。由此可見，運(yùn)放OPAMPl輸入端兩端的壓差絕對值被有效降低。若Ce = Csl，則運(yùn)放OPAMPl輸入端兩端的壓差絕對值為VR1。在圖4中，取VIl =
O.5VR1?？紤]到開關(guān)的導(dǎo)通電阻和各節(jié)點(diǎn)的寄生電容，運(yùn)放OPAMPl輸入端實際壓差絕對值要小于上述理論計算的結(jié)果，可根據(jù)運(yùn)放輸入端對管過驅(qū)電壓Vod，開關(guān)導(dǎo)通電阻和各節(jié)點(diǎn)寄生電容的情況選擇分壓電容CC的容值Ce，使運(yùn)放輸入端電壓差絕對值小于Τ Γο /。本實用新型通過分壓電容CC的電荷分配作用，使運(yùn)放OPAMPl輸入端的壓差絕對值限制在一定的范圍內(nèi)。需要說明的是，本實用新型的使用不限于輸入端級單端形式，也可應(yīng)用于全差分電路。圖5為本實用新型的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的全差分電路實現(xiàn)形式的電路圖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器輸入級單端實現(xiàn)形式，自然的應(yīng)用于全差分電路實現(xiàn)形式的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器的電路圖，所以對于全差分電路實現(xiàn)形式的原理不再贅述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)是知曉的。同樣的，本實用新型也不限于開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器，也可應(yīng)用于其它開關(guān)電容電路，并可與斬波技術(shù)，相關(guān)雙采樣技術(shù)(CDS)同時應(yīng)用。綜上所述，本實用新型在單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器中增加了分壓電容，便可以使運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值有效降低。相對于通過擴(kuò)展單比特反饋DAC到多比特反饋DAC，并沒有增加很多成本也沒有增加更多的元器件的修調(diào)工作，既可使運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值可以降低到幾百毫伏以內(nèi)，完全可以實現(xiàn)運(yùn)放工作在線性區(qū)域的目的。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對實用新型進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器，包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)、采樣電容、積分電容、分壓電容、運(yùn)放、比較器和反相器；其中，所述采樣電容的負(fù)極板通過所述第一開關(guān)連接輸入電壓，并通過所述第三開關(guān)或第四開關(guān)連接正參考電壓或負(fù)參考電壓；所述采樣電容的正極板連接到分壓電容的正極板，并通過所述第二開關(guān)連接到所述積分電容的正極板和所述運(yùn)放的負(fù)端輸入端，并通過所述第五開關(guān)接地；所述分壓電容的負(fù)極板接地；所述積分電容的負(fù)極板連接到所述運(yùn)放的輸出端；所述運(yùn)放的正端接地；所述運(yùn)放的輸出端連接到所述比較器的一端，所述比較器的另一端接地，所述比較器的輸出端連接所述反相器的輸入端。
2.如權(quán)利要求I所述的單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器，其特征在于，還包括第一控制箱和第二控制箱，其中，所述第一開關(guān)和第五開關(guān)由所述第一控制箱所產(chǎn)生的控制信號控制，所述第二開關(guān)由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號控制，所述第三開關(guān)由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號和反相器的輸出信號共同控制，所述第四開關(guān)由所述第二控制箱所產(chǎn)生的控制信號和所述反相器的輸入信號共同控制。
專利摘要本實用新型公開了一種單比特開關(guān)電容Sigma-Delta調(diào)制器，包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、第五開關(guān)、采樣電容、積分電容、分壓電容、運(yùn)放、比較器和反相器。本實用新型增加了分壓電容，便可以使運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值有效降低。相對于通過擴(kuò)展單比特反饋DAC到多比特反饋DAC，并沒有增加很多成本也沒有增加更多的元器件的修調(diào)工作，使得運(yùn)放輸入端的壓差的絕對值可以降低到幾百毫伏以內(nèi)，完全可以實現(xiàn)運(yùn)放工作在線性區(qū)域的目的。
文檔編號H03M3/00GK202634404SQ201220188220
公開日2012年12月26日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者周小爽, 胡鐵剛, 俞鐵剛 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司