[发明专利]Sigma-Delta模数转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种模数转换器，属于集成电路技术领域。 

背景技术

目前，随着我国消费类电子产业和多媒体产业的迅速发展，数字音频技术发展十分迅猛。作为其中不可缺少的一个环节，模数转换器需要朝更低电压、更低功耗、更低成本和更高性能的方向不断前进，其中低压低功耗设计必然成为模数转换器未来发展的主要方向之一。然而，电源电压的降低意味着输入共模范围的减小、动态范围的减小、噪声失真性能的变差等等，我们需要采用更先进的低功耗设计思路和更精巧的电路设计来克服这些困难。

传统的模数转换结构框图如图1所示，模拟信号到数字信号的转换包括模拟信号的反混叠滤波10、采样11、幅度量化12以及数字后处理13四个单元。其中信号采样的最小速率取决于信号带宽，而能够容忍的量化误差量决定了转换的分辨率。在模拟信号的采样11和幅度量化12中，运算放大器都是至关重要的电路模块，同时也是模数转换器模拟部分主要的功耗模块。正因为如此，低压低功耗运算放大器设计往往成为模数转换器设计者的研究焦点。

用C类反向器代替传统的运算放大器是一种新型低压低功耗设计技术。C类反向器主体部分是一个推挽式反向器，如附图2所示，结构相当简单，功耗极低，芯片占用面积小，其中“C类”指该反向器处于饱和导通状态的时间小于50%。在实际应用中C类反向器采用了动态偏置技术，即它的工作状态是通过对输入管栅电位的调制而不断变化的。在模拟电路设计中，C类反向器可以在以下两种状态间进行切换：

1）当PMOS输入管M1和NMOS输入管M2均处于弱反型区时，反向器具有较高的增益和极低的功耗，但是跨导和带宽相对较小，该状态我们称之为高增益低功耗状态；

2）当M1处于强反型区，M2处于截止区（或M2处于强反型区，M1处于截止区）时，工作在强反型区的MOS输入管跨导较大，这使得反向器具有较大的摆率和输出电流，而且由于另一个输入管处于截止区，整个反向器由电源到地的导通电流极小，避免了无谓的静态功耗，该状态我们称之为高摆率大电流状态。

在开关电容电路的设计中，若C类反向器采用合适的动态偏置，在不同的时钟相位将反向器这两种工作状态结合起来，可以代替传统的运算放大器实现一些新型的极低功耗开关电容电路。例如，Youngcheol Chae, Inhee Lee and Gunhee Han, “A0.7V 36uW 85dB-DR Audio                                                 Modulator Using Class-C Inverter,”2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference:p.490-491,630。文中作者将C类反向器电路用于Sigma-Delta模数转换器的积分器中，实现了一个极低功耗的三阶单环结构Sigma-Delta模数转换器。其中，为了提高稳态增益，反向器采用了如图3所示的共源共栅结构，PMOS管M3和NMOS管M4的偏置电位分别是地电位GND和电源电位V_DD。

但是，当推挽式C类反向器（包括简单型和共源共栅型C类反向器）中输入管工作在弱反型区时，其跨导受工艺偏差影响很大（尤其是MOS管尺寸较大的时候），导致C类反向器的增益、带宽和静态功耗等稳态特性在不同的工艺角下存在严重偏差。当C类反向器切换至高摆率大电流状态时，C类反向器的摆率和建立时间等动态特性同样受到影响。工艺偏差对C类反向器的不利影响将直接导致积分器工作频率、建立时间、积分精度和功耗等指标的恶化，进而严重影响到模数转换器环路滤波的精确性，造成整个模数转换器性能下降甚至功能丧失。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种采用新型C类反向器的Sigma-Delta模数转换器, 以克服现有技术推挽式C类反向器的跨导受工艺偏差影响很大（尤其是MOS管尺寸较大的时候），导致的积分器工作频率、建立时间、积分精度和功耗等指标的恶化，进而严重影响到模数转换器环路滤波的精确性，造成整个模数转换器性能下降甚至功能丧失的不足。

本发明要解决的第二个技术问题是，提供一种三阶单环结构的Sigma-Delta模数转换器。

本发明的Sigma-Delta模数转换器采取以下技术方案，它包括：

反混叠滤波器，用于模拟输入信号的反混叠滤波；

采样保持器，用于模拟输入信号的过采样；