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一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转换器

文献发布时间:2023-06-19 13:45:04


一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转换器

技术领域

本发明属于模数转换器设计领域,具体涉及一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转换器。

背景技术

模数转换器是许多电子系统的关键模块,随着对通信要求的不断提高和半导体工艺的不断成熟以及低功耗技术的发展,使得Sigma-Delta模数转换器的研究成为可能,并成为热点。在现在的通信系统中,用于WLAN、LTE、5G等系统的射频接收机需要处理较高频率范围的信号,因此对Sigma-Delta模数转换器提出了更大带宽,更高精度的要求,所以在Sigma-Delta结构的基础上,研究宽带高精度的模数转换器具有较大的学术价值和现实意义。

目前的研究热点主要集中在以下几个方面:

(1)级联结构与多位量化器结合,并构成高阶Sigma-Delta调制器,级联结构能消除调制器的稳定性问题,同时又能提供高的精度,但是由于设计连续时间时元器件容易不匹配,所以高阶的Sigma-Delta调制器的设计很有挑战性。多比特量化器能明显的提高性噪比,但是其引入的非线性不容易消除。

(2)带通Sigma-Delta主要是为RF通信系统中的接收或者发送模块提供模数转换。现在的研究主要集屮在以下几个方面:利用欠采样技术设计连续吋间带通Sigma-Delta,其主要优点是可以降低采样频率到小于信号中心频率,这样降低了对时钟的要求,但是它会使连续时间滤波器的Q值降低,影响到噪声调制,以至于影响到SNR。所以对如何提高滤波器的值上,科研人员也进行了不少研究;还有将带通与并行Sigma-Delta相结合,来实现高频,宽带ADC,以实现RF通信。

(3)并行Sigma-Delta主要向高速、宽带的方向发展。主要包括三种不同的类型:时间交叉(Time-Interleaved)Sigma-Delta ADC具有更好的稳定性,但是对通道不匹配很敏感;哈达玛(Hadamard)调制并行Sigma-Delta ADC对非线性不敏感,但是需要大量的数字滤波器;频带分解Sigma-Delta ADC对沟道间不匹配不敏感,但是它设计过程是最复杂。

(4) 近年来,人们相继提出了基于单个放大器谐振器结构的带通sigma-delta调制器,例如双延迟结构,Pseudo-N-Path结构,双采样PNP结构。然而Pseudo-N-Path结构和双采样PNP结构只能通过减小电源电压来降低功耗,虽然双延迟结构在低电源电压应用中具有很大的前景,但是它采用单采样工作模式,所以浪费了半个采样周期。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题,本申请提出一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转化器,在传统用多个模数转换器拼接的方法基础上,用多个反馈谐振腔相连接,可以有效的提供大的带宽和高的精度。

一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转换器,其特征在于,包括依次连接的多个反馈谐振腔单元、DAC单元、采保单元以及量化器单元;

其中,所述反馈谐振腔单元用于将信号进行滤波处理,模拟信号输入到首端的反馈谐振腔的模拟输入端,末端的反馈谐振腔的输出端与采保单元相连接;

所述采保单元用于当对模拟信号进行数模转换时,在转换时间内,保证模拟信号保持基本不变,以保证转换精度;采保单元的输出端和量化器的输入端相连接;

所述量化器单元用于将采保单元的输出信号进行量化处理,近似为有限多个的离散值,完成将模拟信号转变为数字信号;

所述DAC单元对将输出信号反馈到输入端,反馈信号和输入信号相叠加,直接体现在谐振腔的输出中。

进一步地,所述依次连接的反馈谐振腔,由包括模拟正输入端V

进一步地,所述运算放大器双二阶谐振器,包括晶体管M1至晶体管M20;

其中,PMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2构成上并联结构中的单级反相器,PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4、PMOS晶体管M5和NMOS晶体管M6、PMOS晶体管M7和NMOS晶体管M8构成上并联结构中的三级反相器,晶体管M1和晶体管M2的栅端连接晶体管M3和晶体管M4的栅端,晶体管M3和晶体管M4的漏端连接晶体管M5和晶体管M6的栅端,晶体管M5和晶体管M6的漏端连接晶体管M7和晶体管M8的栅端,晶体管M7和晶体管M8的漏端连接晶体管M1和晶体管M2的漏端;PMOS晶体管M19和NMOS晶体管M20构成下并联结构中的单级反相器,PMOS晶体管M13和NMOS晶体管M14、PMOS晶体管M15和NMOS晶体管M16、PMOS晶体管M17和NMOS晶体管M18构成下并联结构中的三级反相器,晶体管M19和晶体管M20的栅端连接晶体管M13和晶体管M14的栅端,晶体管M13和晶体管M14的漏端连接晶体管M15和晶体管M16的栅端,晶体管M15和晶体管M16的漏端连接晶体管M17和晶体管M18的栅端,晶体管M17和晶体管M18的漏端连接晶体管M19和晶体管M20的漏端;PMOS晶体管M9和NMOS晶体管M10、PMOS晶体管M11和NMOS晶体管M12构成两级反相器反馈回路,晶体管M11和晶体管M12的栅端连接晶体管M9和晶体管M10的漏端。

进一步地,所述单极反相器包括NMOS管和PMOS管的连接,以及在输入到输出支路上电阻和电容的串联,信号输入经过单级反相器和三级反相器的并联输出;

其中单级反相器包括NMOS晶体管的漏端和PMOS晶体管的漏端相连接,NMOS晶体管的栅端和PMOS晶体管的栅端相连接,电阻R

本发明采用以上技术方案,与现有技术相比具有以下有益效果:

1、本发明提供的一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转化器,采用前馈正反馈,降低了噪声,并且减小了失调。

2、本发明提供的一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转化器,采用简单单级和三级反相器实现有源回馈网络,降低了功耗,提高了速度,并且实现了大的带宽。

附图说明

图1是本发明实施例中的基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转化器总体框图。

图2是本发明实施例中的运算放大器双二阶谐振器结构框图。

图3是本发明实施例中的密勒补偿后的单级反相器电路原理图。

图4是本发明实施例中的单级反相器和并联三级反相器之后的比较结果图。

图5是本发明实施例中的三级有源反相器的SNDR结果图。

图6是本发明实施例中的运算放大器双二阶谐振器电路原理图。

图7是本发明实施例中的Sigma-Delta ADC的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示。本发明在传统用多个模数转换器拼接的方法基础上,用多个反馈谐振腔相连接,提出一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转化器,该模数转换器,包括依次连接的多个有源谐振器单元、采保单元和量化器单元。模拟信号输入有源谐振腔,由其进行滤波处理,再通过采保单元,对信号进行采样和保持,以保证精度,最后将信号输入量化器单元,完成将模拟信号转变为数字信号的整个过程。

以下结合一个具体实施例来详细说明。该实施例中的ADC为一个四阶的单回路Sigma-Delta ADC包括两个有源谐振器、3位量化器以及反馈DAC,完成了模拟信号向数字信号的转变。对于模数转换器而言,精度、带宽等是影响器件性能最为关键的指标,为了获得高的精度以及大的带宽,本发明实施例采用了多个反馈谐振腔的方法,其中,前馈链路为a2,a4,因为前馈正反馈回路的存在,可以构成振荡器,这个有源回路可以通过放大器实现双二阶滤波器。相比于传统的通过DAC的方法实现前馈,此方法可以降低噪声并减小失调。运算放大器双二阶谐振器结构框图如图2所示,包括模拟输入端包括模拟正输入端V

用于反馈谐振器的有源反馈网络是本发明的核心电路之一,由简单单级和三级反相器构成。其中,PMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2构成上并联结构中的单级反相器,PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4、PMOS晶体管M5和NMOS晶体管M6、PMOS晶体管M7和NMOS晶体管M8构成上并联结构中的三级反相器,晶体管M1和晶体管M2的栅端连接晶体管M3和晶体管M4的栅端,晶体管M3和晶体管M4的漏端连接晶体管M5和晶体管M6的栅端,晶体管M5和晶体管M6的漏端连接晶体管M7和晶体管M8的栅端,晶体管M7和晶体管M8的漏端连接晶体管M1和晶体管M2的漏端;PMOS晶体管M19和NMOS晶体管M20构成下并联结构中的单级反相器,PMOS晶体管M13和NMOS晶体管M14、PMOS晶体管M15和NMOS晶体管M16、PMOS晶体管M17和NMOS晶体管M18构成下并联结构中的三级反相器,晶体管M19和晶体管M20的栅端连接晶体管M13和晶体管M14的栅端,晶体管M13和晶体管M14的漏端连接晶体管M15和晶体管M16的栅端,晶体管M15和晶体管M16的漏端连接晶体管M17和晶体管M18的栅端,晶体管M17和晶体管M18的漏端连接晶体管M19和晶体管M20的漏端;PMOS晶体管M9和NMOS晶体管M10、PMOS晶体管M11和NMOS晶体管M12构成两级反相器反馈回路,晶体管M11和晶体管M12的栅端连接晶体管M9和晶体管M10的漏端。每一级反相器中,都添加了米勒补偿,其中,NMOS晶体管的漏端和PMOS晶体管的漏端相连接,NMOS晶体管的栅端和PMOS晶体管的栅端相连接,电阻R

综上可知,本发明的一种基于双回路多有源谐振器的宽带高精度模数转化器再传统Sigma-Delta结构基础上,采用多个反馈谐振腔单元;用简单单级和三级反相器实现有源回馈网络,降低了噪声,减小了失调,并可以有效提高带宽,提供高的精度,一定程度上满足了现代通信系统中对大带宽,高精度的需求,也为之后的研究提供了新思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

技术分类

06120113789099