[发明专利]一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器及数字处理单元

说明书

本发明提出一种高速、低功耗Sigma‑Delta模数转换器及数字处理单元。模数转换器包括第一模拟采样模块和第二数字量化模块以及基准电压源；第一模拟采样模块包括第一模电信号转换电路、第一抗混叠滤波器、第一采样保持电路以及Sigma‑Delta调制器；第二数字量化模块包括第二数字滤波器、第二降采样滤波器以及数字输出电路；基准电压源连接Sigma‑Delta调制器，为其提供基准电压；基准电压源包括启动电路、亚阈电流产生电路、负温度系数电路、正温度系数电路以及后置反馈电路。所述数字处理单元包括调节器，用于为基准电压源提供前置控制信号并使得所述基准电压源输出的基准电压值可变化。

技术领域

本发明属于高性能模数转换器技术领域，尤其涉及一种高速低功耗Sigma-Delta模数转换器及数字处理单元。

背景技术

在现实世界中，所有自然出现的信号本质上都是模拟信号。过去三十多年里，由于超大规模集成电路(Very large scale integration,VLSI)的出现，使得可以在数字域里实现比模拟域里更高精度、更高可靠性和更低价格的各种信号处理功能。数字信号抑制噪声能力远大于模拟信号，在模拟信号的存储和传输过程中，噪声和失真会被累积，从而对信号的处理产生不良的效果。而在数字域里，数字信号可以无损地存储和传输。在电信、语音、视频、计算机以及其它许多场合下，为了利用数字信号处理的这些优点，常把模拟信号转换为数字信号形式。

在当今典型的数字信号处理(Digital signal processing,DSP)系统中，通过ADC把模拟信号转换为数字信号，然后数字处理器对数字信号进行处理，被处理后的信号再经过DAC转换为模拟信号。数字信号在幅度和时间上是离散的，而模拟信号在幅度和时间上是连续的。因此，模数转换包括两个过程：采样过程是使信号在时间上离散，量化过程是使信号在幅度上离散。ADC有两个重要的性能指标：速度和精度。速度所反映的是离散化在时间上有多快，而精度所反映的是离散化在幅度上有多精确。

Sigma-Delta调制器由于具有高精度的优势，在高保真音频通讯、CD播放器、大型音乐会、车载音响等领域都得到了广泛应用，其市场需求也在不断扩大。在多位量化器和高阶调制器设计技术的不断成熟下，又加速了Sigma-Delta数据转换器在频率综合、视频处理、图像综合等消费电子领域的发展。

CN202011093142.9提出一种低功耗的逐次逼近型模数转换电路模块，包括比较器、逻辑比较控制及输出模块、采样开关和逐次逼近电容模块；比较器的反相输入端通过采样开关接待转换电压，其同相输入端通过逐次逼近电容模块接逻辑比较控制及输出模块，其输出端接逻辑比较控制及输出模块；闭合采样开关后，对待转换模拟电压进行采样，保存在比较器的反相输入端，而后比较器将比较结果转送到逻辑比较控制及输出模块，逻辑比较控制及输出模块根据比较器的比较结果控制逐次逼近电容模块电路将不同的电压传递给比较器的同相输入端，最后不断调整电容的控制，最终实现电压编码的输出；该模数转换电路模块能降低能耗、减少模块中的电容数量、从而减小了芯片面积。

欧洲专利公开文本EP20200171605则提出用于连续时间SIGMA-DELTA模数转换器的亚稳性整形方法，所述方法包括使用第一反馈环路来补偿与所述第一反馈环路的第一量化器和第一DAC相关联的第一额外环路延迟(ELD)。所述第一量化器将第一量化器输出提供给第二反馈环路。第二反馈环路补偿与所述第二反馈环路的第二量化器和第二DAC相关联的第二ELD。所述第二量化器减小与所述第一量化器输出相关联的亚稳定性误差。

然而，在现代超大规模集成电路中，要求的供电电压更低，尺寸更小，这也给Sigma-Delta模数转换器的设计提出了更高的要求与挑战；此外，随着半导体集成电路制造工艺的不断发展，片上系统(SOC)已成为设计技术发展的主流，并在手持音频设备和传感器等领域得到了广泛的应用众所周知，SOC设计是基于大量可重用的知识产权模块(IP)基础上。在这些IP中，模数转换器(ADC)因处于连接模拟和数字信号的桥梁位置而受到关注。由于手持设备中的电池容量有限，又对音质等有较高要求，所以ADC的设计重点在于低功耗和高转换精度以及响应速度。