[发明专利]一种稳定的Σ-Δ调变器

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路设计中∑-Δ调变器(SDM)技术领域，特别是在保证∑-Δ调 变器整体性能的基础上彻底解决SDM稳定性问题的一种稳定的∑-Δ调变器。

背景技术

∑-Δ调变器技术具有噪声整形的特性，可将量化过程中产生的噪声和谐波推往高 频带，进而达到高解析度的数字模拟转换，∑-Δ调变器的基本单元为积分器，如图1 所示，因此∑-Δ调变器技术被广泛应用于许多领域。随着SDM阶数增加，噪声整形效 果将越为显著，整体性能越好，但当SDM的阶数大于二阶时，会引发稳定性的问题，导 致稳定输入范围受到很大的限制。

根据量化理论，若量化器输入信号超出量化器的操作范围，则量化器的量化误差会 加大。当量化器输入远远超出量化器操作范围时，量化误差骤然剧增，致使还原时产生 严重失真，这种情形称为量化器过负载现象，从而引发SDM稳定性问题。但量化器输入 信号只要不超出量化器的操作范围，量化误差便会被限制在一定的范围内，从而使SDM 保持稳定。

自从1962年第一种∑-Δ调变器架构(即传统单环结构)被提出以来，∑-Δ调变 器发展至今已有数十年之久，对其稳定性的研究探讨取得了很大进展。目前实际应用中， 已经能够对正常信号在SDM中的变化进行比较准确的预估。也就是说，正常信号经过SDM 时，会按照一定的规律稳定变化，因此在实际应用中，可以针对具体的正常信号特点设 计SDM结构，使正常信号经过量化时不会超出量化器的操作范围；而非正常信号经过SDM 时，变化特性不可预测，从而会超出量化器的操作范围。大量研究和实验表明，当SDM 的阶数大于二阶时，就会出现稳定性问题。

随着SDM阶数增加，稳定输入范围越小，对稳定输入范围之外的信号进行恢复时， 达不到要求的恢复指标，甚至完全不能恢复，从而导致信号失真，如图2所示，这样会 严重影响系统的性能。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种稳定的∑-Δ调变器，可以在保证SDM整体 性能的基础上彻底解决SDM的稳定性问题。

本发明的技术方案如下：

一种稳定的∑-Δ调变器，其特征在于：对于2阶以上的基于单环结构的高阶SDM， 每经过2阶则插入连接一个信号振幅控制器AC，把高阶SDM分割成多个2阶SDM节。

所述SDM至少由2n+1个积分器和n个振幅控制器组成，其中n≥1；

所述积分器的输出信号为输入信号与前一个时间单位系统输出信号之和；

振幅控制器的输出信号取决于振幅控制器的输入信号与预设固定值进行数值大小 的比较，当所述输入信号数值大于预设固定值时，所述输出信号为预设固定值，否则所 述输出信号为所述输入信号。

积分器用于对噪声进行整形，振幅控制器用于指定信号幅度的范围，根据幅度范围 截取信号。

第2m-1级积分器的输出信号端连接至第2m级积分器的输入信号端，第2m级积分 器的输出信号端连接至第m级振幅控制器的输入信号端，第m级振幅控制器的输出信 号端连接至第2m+1级积分器的输入信号端，其中m＝1，……，n；系统输出反馈信号 端与每一级积分器输入信号端连接。

第1级积分器的输入信号为：输入信号(X)-系统输出信号(Y)×反馈系数(c₁)；

第2m级积分器的输入信号为：第2m-1级积分器的输出信号×增益系数(a_2m-1) -第2m+1级积分器的当前输出信号×反馈系数b_2m-系统输出信号(Y)×反馈系数 (c_2m)；

第m级振幅控制器的输入信号为：第2m级积分器输出信号×增益系数(a_2m)-系 统输出信号(Y)×反馈系数(c_2m+1)；

第2m+1级积分器的输入信号为第m级振幅控制器的输出信号；

系统的最终输出信号(Y)为最后一级积分器的输出信号与量化噪声输入信号(E) 之和。

DAC中常见的SDM结构有两种：单环结构和级联结构。多个SDM互相串联，形成级 联结构。对应级联结构，只有一个SDM的系统为单环结构。