基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模擬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊S i gma-De I ta 調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]新世紀(jì)以來，深亞微米混合信號(hào)集成電路技術(shù)得到飛速發(fā)展，在諸如MP3、數(shù)碼相機(jī)、汽車導(dǎo)航儀、智能手機(jī)等便攜電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。而用戶對(duì)這些電子產(chǎn)品的要求也越來越高:要有快速響應(yīng)的高性能游戲體驗(yàn)，要有高分辨率的顯示，要像電腦桌面那樣進(jìn)行快速的網(wǎng)絡(luò)瀏覽，方便易用的用戶界面，更低功耗以增加續(xù)航時(shí)間，以及在同一設(shè)備上集合更多樣化的功能。移動(dòng)設(shè)備市場的趨勢(shì)是更大的屏幕和更高的分辨率顯示，而對(duì)芯片產(chǎn)品的要求則是更高的工藝水平，更好的設(shè)計(jì)方案及更低的功耗。
[0003]隨著集成電路工藝水平的不斷發(fā)展，深亞微米先進(jìn)工藝對(duì)數(shù)字電路的功耗和性能改進(jìn)很大，卻將模擬電路設(shè)計(jì)置于一個(gè)尷尬的境地。本征增益的降低，以及供電電壓的壓縮導(dǎo)致沒有足夠的電壓空間提供給cascode之類的增益提升技術(shù)，因此高增益電路設(shè)計(jì)變得更為困難。同時(shí)，柵極泄漏電流的增加使得設(shè)計(jì)諸如開關(guān)電容電路和電荷泵鎖相環(huán)等特殊模擬電路難度增加。除此之外，器件失配和襯底噪聲也變得更加嚴(yán)重。大多數(shù)模擬電路要求大的信噪比(SNR)和動(dòng)態(tài)范圍(DR)。由于供電電壓的減小使得信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍減小，在信噪比恒定的條件下，例如開關(guān)電容電路中，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的減半要求負(fù)載電容增大為原來的4倍；而模擬電路的速度又與gm/Cload有關(guān)，速度恒定的情況下，負(fù)載電容增大了，則要求跨導(dǎo)gm也要增大為原來的4倍；于是偏置電流也要增大為原來的4倍，這就增大了功耗。通常功耗隨著尺寸縮放因子成指數(shù)倍增加。同時(shí)由于IR壓降，又進(jìn)一步減少了工作電壓余度和動(dòng)態(tài)范圍。所以，低功耗低電壓模擬電路遇到了很大困難，這就要求有更加新穎的設(shè)計(jì)技術(shù)來降低功耗。
[0004]近幾年來，數(shù)字反相器開始在低功耗低電壓Sigma-Delta調(diào)制器中得到應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬電路中，運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)是關(guān)鍵的電路模塊，但是在低電壓低功耗設(shè)計(jì)中成為了最主要的瓶頸限制。低功耗的OTA設(shè)計(jì)像襯底驅(qū)動(dòng)OTA和數(shù)字輔助OTA也有各自的缺點(diǎn)和限制。而數(shù)字反相器可以在低電壓下工作，甚至晶體管可以工作在弱反型區(qū)，而且反相器工作時(shí)可以大大降低功耗，同時(shí)提供高性能。數(shù)字反相器可以替代傳統(tǒng)OTA作為主要的有源反饋模塊，結(jié)合自調(diào)零技術(shù)實(shí)現(xiàn)積分功能。
[0005]在Sigma-Delta調(diào)制器中，比較器也是一個(gè)很關(guān)鍵的電路模塊。傳統(tǒng)比較器在低電壓下反應(yīng)速度慢，功耗大且精度差，制約了低電壓低功耗Sigma-Delta調(diào)制器的發(fā)展。
[0006]傳統(tǒng)的Sigma-Delta調(diào)制器存在以下不足:
[0007]1.深亞微米工藝下，傳統(tǒng)OTA增益變小，噪聲性能變差，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍減小，功耗增大，很難適應(yīng)低壓設(shè)計(jì)，電流利用效率低；
[0008]2.傳統(tǒng)的比較器在深亞微米低電壓下反應(yīng)速度慢，功耗大且精度差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的旨在至少解決上述的技術(shù)缺陷之一。
[0010]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例公開了一種基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器，所述基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器包括基于數(shù)字反相器的積分器，基于數(shù)字反相器的比較器和反饋邏輯模塊三部分；
[0012]所述基于數(shù)字反相器的積分器，由數(shù)字反相器，采樣電容，積分電容及自調(diào)零模塊構(gòu)成:CS1是采樣電容，CSl的左端分別與時(shí)鐘Φ Id控制的采樣信號(hào)端，反饋邏輯控制的反饋電壓土Vref相連；CS1的右端分別與Φ I控制的參考電壓，自調(diào)零電容Ce，及Φ2控制的積分電容CIl相連，Φ I控制的開關(guān)連接反相器輸入和輸出端。時(shí)鐘Φ I和Φ2是兩相不重疊時(shí)鐘，當(dāng)控制時(shí)鐘Φ1 = I時(shí)(所控制開關(guān)導(dǎo)通)，輸入信號(hào)被采樣至CSl ;反相器短接，工作點(diǎn)被鎖定，存入電容Ce上。當(dāng)控制時(shí)鐘Φ I = O時(shí)(所控制開關(guān)關(guān)閉)，Ce將反相器偏置在工作點(diǎn)上，反相器提供最大增益；CS1上的電荷流向Cl I，完成第一次積分，第二次積分過程與第一次積分類似，
[0013]所述基于數(shù)字反相器的比較器，由數(shù)字反相器和自調(diào)零模塊構(gòu)成:自調(diào)零電容Ce左端分別與第二積分器輸出和Φ2控制的參考電壓相連；Φ2控制的開關(guān)連接反相器輸入和輸出端。當(dāng)控制時(shí)鐘Φ2 = I時(shí)，反相器短接，工作點(diǎn)被鎖定，存入電容Ce上。當(dāng)控制時(shí)鐘Φ2 = O時(shí)，Ce將反相器偏置在工作點(diǎn)上，此時(shí)第二積分器的輸出電壓將和參考電壓進(jìn)行比較，反相器的輸出端被拉至高電平或者地，完成一次比較，
[0014]所述反饋邏輯模塊，由兩組D鎖存器，四組AND門與反饋開關(guān)組成:第一 D鎖存器與第二積分器輸出相連，第二 D鎖存器與第一 D鎖存器相連；第一 D鎖存器的輸出電平值經(jīng)過AND門控制，作為反饋信號(hào)反饋至第二積分器，第二 D鎖存器的輸出電平值經(jīng)過AND門控制，作為反饋信號(hào)反饋至第一積分器；第一二積分器和第一二 D鎖存器，均采用異步時(shí)鐘控制。
[0015]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0016]在一些示例中，反相器需使用cascode結(jié)構(gòu)增益增強(qiáng)型反相器。
[0017]在一些示例中，所用開關(guān)應(yīng)采用低壓開關(guān)，實(shí)現(xiàn)軌到軌設(shè)計(jì)。
[0018]在一些示例中，所用時(shí)鐘應(yīng)為兩相非重疊時(shí)鐘，并由芯片內(nèi)部時(shí)鐘模塊產(chǎn)生。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例的基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器，能在極低供電電壓下正常工作，具有很高的電流利用效率，功耗極低。沒有使用傳統(tǒng)的放大器而是采用數(shù)字模塊進(jìn)行模擬電路設(shè)計(jì)，能規(guī)避低電壓設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的諸如動(dòng)態(tài)范圍減小，本征增益不足，噪聲惡化等問題，符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器全數(shù)字化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。
[0020]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0021]本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中，
[0022]圖1為傳統(tǒng)Sigma-Delta調(diào)制器電路結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖3為本發(fā)明的基于反相器實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字模塊Sigma-Delta調(diào)制器的頻譜仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0026]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上