[发明专利]一种消除斩波纹波的方法及实现该方法的模数转换电路

说明书

技术领域

本发明属于电路尤其是集成电路设计领域，具体涉及一种消除斩波纹波的方法及实现该方法的模数转换电路。

背景技术

高性能仪表放大器广泛应用于各种微伏级信号测量电路中。为了准确放大微弱信号，仪表放大器需要有微伏级的失调、高共模抑制比、高电源抑制比、高输入阻抗以及良好噪声性能。

当今，模拟电路大多使用CMOS工艺实现，相较于双极晶体管，MOS管的跨导效率低、匹配、噪声性能差，限制了仪表放大器的性能。通过使用斩波技术和自归零技术可以改善CMOS放大器的噪声性能。

由于自归零技术会将宽带噪声引入低频，因而斩波技术通常是高精度电路的最佳选择。但是，在如图1所示的典型信号测量电路中，斩波放大器会在其输出端残留较大幅度的纹波，这往往需要截止频率很低的高阶低通滤波器将其滤除，然后再将滤波后的信号送入模数转换器中。该滤波器对模数转换器而言起到抗混叠的作用。满足这种要求的滤波器实现起来十分困难和复杂。 

发明内容

本发明的目的在于，提出一种消除斩波放大器残留的高频纹波的新方法，并将该方法用于一种具有数字输出的、不需要低通滤波器的新型测量电路。

为此，本发明提出的消除斩波纹波的方法包括如下步骤:在一个斩波周期内，对斩波电路的输出信号以两倍的斩波频率进行两次采样，两次采样的值积分后相加，以保留有用信号，消除纹波。

优选地，所述采样、积分、相加的功能用积分器实现，并在有用信号和经过采样、积分、相加后的信号的重合相位对积分器输出进行量化。

优选地，所述采样、积分、相加的功能用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现。

本发明实现该方法的模数转换电路包括：采样电路、积分电路和时域求和电路，所述采样电路在一个斩波周期内，对斩波电路的输出信号以两倍的斩波频率进行两次采样，所述积分电路对两次采样的值积分，所述时域求和电路对积分后的信号相加后输出。

优选地，所述采样电路、积分电路、时域求和电路用sigma-delta模数转换器中的第一级积分器来实现：sigma-delta ADC的输入端连接前级斩波电路的输出，从而斩波电路的输出信号直接输入ADC中的第一级开关电容积分器，该积分器对斩波电路的输出信号采样、积分并求和，该积分器的输出再送入ADC后级电路。

优选地，所述的sigma-delta ADC中使用开关电容积分器，积分器的个数不少于1级,其第一级开关电容积分器工作在两倍斩波频率，如有后级开关电容积分器，则后级开关电容积分器工作在斩波频率。

本发明对一个斩波周期内的信号进行间隔为斩波周期一半时间的两次采样，并将两次采样值积分求和，从而保留了有用信号，消除了斩波残留的纹波信号。新型的信号放大和模数转换电路包括斩波放大器和级联在其后的sigma-delta模数转换器。采用内嵌于sigma-delta模数转换器的开关结构，利用该模数转换器中第一级积分器的模拟加法功能对斩波放大器输出信号中的残余纹波进行一阶整形（电压求和），从而降低纹波幅度，削弱其对于模数转换器转换精度的影响。该电路不需要斩波放大器和模数转换器之间的模拟低通滤波器，节约了功耗、面积，简化了电路的设计。因此，本发明具有如下有益效果:其一，不需要使用低通滤波器，从而降低了整体电路的功耗和面积。其二，利用sigma-delta模数转换器自身所具有的第一级积分器实现对斩波放大器输出信号的采样、积分和求和，不需要额外的电路实现以上功能。该积分器同时完成了模数转换器对其输入信号的采样功能，不影响模数转换器的工作。既不增加电路设计的复杂度，又不额外消耗面积和功耗。使用该方法实现的该种结构的测量电路功耗低、面积小，适用于生物医疗电子系统和手持监测设备。另外，在实现高精度或者中等精度的模数信号转换时，本发明提供的实现方法和电路在面积、功耗和实现难度等方面具有较好的折中，有广泛的应用背景。

附图说明

图1是传统结构的信号放大及模数转换电路；

图2是使用本发明设计方法的信号测量电路；

图3是消除斩波残留纹波的原理说明

图4是复用第一级积分器的原理图；

图5是斩波频率、第一级积分器和第二级积分器工作时序；

图6是使用本发明方法的新型测量电路的仿真验证结果。

具体实施方式

下面结合附图，对通过按此设计方案实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。