用于矿井温度传感器中 sigma-deltaADC的研究(2)

影响,需在电路中引入前馈通道。

中国科技论文在线 在每个2阶积分器的设计中：第一级积分器是延迟积分器,第二级是非延迟积分器。与常规二阶调制器相比,增加了两个前馈路径a5、a6。调制器的输出为

:

135 图4 2阶∑ Δ调制器结构

Fig.4 second-order modulator architecture

Y(Z)=D2(Z)

D1(Z)Vin(z)(1 z 1)+Q(Z) 公式1 D1(Z)2

其中D1(Z)=1+[

140 aaa2a3a4+a3a5 2]Z 1+[1 35]Z 2 公式2 a6a6D2(Z)=1+[

其中a1a2a4+a3a5aa 2]Z 1+[1 15Z 2 公式3 a6a6Q(Z)为量化误差。

运算放大器的有限直流增益、带宽、压摆率影响调制器性能。考虑运算放大器的直流增益影响,采样电容

145 CS上存储的电荷并没有完全传输给积分电容CI。将运算放大器采用压控电压源建模,根据相关双采样积分器在采样相和积分相时电容上存储的电荷守恒,得到积分器的传输函数为： VO(z)CSγz 1

=Vin(z)CI1 z 1

公式4 γ=

式中fdcAvCI(fdc=,Av为运算放大器的直流增益)CI+Cs1+fdcAv

受运算放大器的压摆率(SR)影响，积分器的输出首先是斜率为SR的斜线然后是指数曲线。积分器在积分相((n-0.5)Ts—nTs期间)的输出为：

150 t≤to,VO(t)=Vo(nTS TS)+SRt 公式5 t>to,Vo(t)=Vo(to)+(Vs SRto)(1 e t tn

τ) 公式6

to=

式中，VsC+CI τ,τ=sSRAvpCI，p为运算放大器主极点

为评估运算放大器的直流增益、压摆率、带宽对调制器性能的影响，图4中第一级积分器由公式(5)~(7)式进行建模。考虑其他非理想因素对调制器性能的影响，电路设计时,应留155 有一定的裕量。

图 5相关双采样积分器电路

Fig.5 Correlated double sampling integrator

160 本文采用MARQUES A.提出的方法,并根据上述约束条件,经过Matlab行为级仿真,即可

得到调制器的最优参数。由于第一级积分器仅处理量化噪声,调制器对其性能要求显著降低。

3.3 比较器的设计

本文设计的 Sigma-Delta 调制器中的量化器采用一位量化，其输出只有高低两种电平，因此用一个比较器来实现它。比较器的非理想特性包括失调电压、迟滞电压，输入噪声和有165 限速度等[6]。由于比较器位于调制器前馈支路的末端，输入失调电压，输入噪声和迟滞电压

会受到调制作用，因此它们对调制器性能的影响较小，而主要考虑比较器要有较高的速度，以便及时将比较结果反馈到输入级。在signs--delta调制器中，比较器的作用是量化环路中的信号并且提供调制器的输出，此输出信号被送入一位的数模转换器。在本设计中比较器每个周期只需要比较一次所以比较器将采用动态锁存比较器，这样既节省面积又节省功耗。

170 图6 动态比较器

Fig.6 Dynamic comparator

175 如图所设计的动态比较器，其主体电路包括差分输入的预防大部分和正反馈锁存器，猪蹄电路的输出进入RS触发器，以保证比较器的数字输出在一个时钟周期内保持不变。CK

和CKB为反相时钟。在CKB为高时，预放大电路工作时交叉耦合正反馈并不工作，因此输入馆的工作状态与V+和V-无关，也就不会产生迟滞效应问题。同时CK为高时，V+和V-反相送至RS输出触发器更新输出结构。当CK为低时，RS触发器的两个输入都为1，根据RS触发器输出逻辑，输入为11时维持上次输出结构不变。

180 这种比较器结构简单，并且速度快，适合应用于高速的sigma一delta调制器结构中。

具体分析如下:第一级为预放大级，第止级为输出级。输出级由时钟控制，当时钟位低的时候，电路处在预充电阶段;当时钟为高的时候，电路处十比较输出阶段。因为预充电时，两个输出端均输出为高，故需要接RS触发器，使其保持原有状态，直至下一个比较结果输出。需要指出预放大级中D1和D2管是嵌位管，这个对管的存在使得运放能更快跟踪输入信号185 的变化，也就是说加快了整个电路的工作速度。

3.4 开关的设计

动态电路一个重要的电路单元就是开关，它主要用在开关电容电路中，用来实现阻值较大的电阻[7]。理想情况下，开关导通时的电阻为零，断开时的电阻为无穷大。然而实际开关中存在导通电阻、沟道电荷注入和时钟馈通等非理想因素，它们将限制信号的输入范围和电190 路的最高工作频率，而且还会在电路中引入谐波失真，因此必须仔细设计开关。

在开关开断时，有两个非理想效应会使MOS开关产生误差，这两个效应是电荷注入和时钟馈通。把PMOS和NMOS器件结合起来可以有效的降低电荷注入效应。

开关对电路进行采样时，为了减少电荷泄露，需要很高的断开电阻;开关的导通电阻以及采样电容的大小会决定采样速度的快慢。因此，为了获得较高的采样速度，使电路在半个195 周期内完成电荷转移，需要采用大宽长比的器件以及小的采样电容值。为了消除与信号相关

的电荷注入,与输入信号相连的开关的时钟控制信clk1d、clk2d的下降沿稍微有些滞后。 4 结论

本文主要在总体设计了一款四阶一位的Sigma-Delta调制器。在达到矿用温度传感器的基本要求下，对总体的结构进行了设计。通过对积分器电路，比较器电路以及开关电路都进200 行了大体的分析，选择了比较合适的电路设计。本文只是大体上的一个总结，在以后的工作

中要对具体的参数以及电路设计功能进行设计仿真和优化，这是一个更加复杂且需要大量时间的工作。

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[5] K. A. Essenwanger. Sewer fractional-order-hold: the ideal DAC response for direct digital synthesizers," in Proc. Frequency Control Symp .1998, pp. 379-389.

[6] R. Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyce，陈中建译. CMOS电路设计、布局与仿真[M] .北京： 机械工业出版社. 2006.1LIU T C. Research on medicinal plant introduction and domestication[M]. Beijing: Chinese Science and Technology Publishing House, 2000.

[7] Jaeger, T., Prakash. Research on low voltage low power Design of Sigma-Delta ADC. 2001，135~143 210 215