專利名稱：一種消除斬波紋波的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電路尤其是集成電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種消除斬波紋波的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
背景技術(shù)：
高性能儀表放大器廣泛應(yīng)用于各種微伏級信號測量電路中。為了準(zhǔn)確放大微弱信號，儀表放大器需要有微伏級的失調(diào)、高共模抑制比、高電源抑制比、高輸入阻抗以及良好噪聲性能。當(dāng)今，模擬電路大多使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，相較于雙極晶體管，MOS管的跨導(dǎo)效率低、匹配、噪聲性能差，限制了儀表放大器的性能。通過使用斬波技術(shù)和自歸零技術(shù)可以改善CMOS放大器的噪聲性能。由于自歸零技術(shù)會將寬帶噪聲引入低頻，因而斬波技術(shù)通常是高精度電路的最佳選擇。但是，在如圖1所示的典型信號測量電路中，斬波放大器會在其輸出端殘留較大幅度的紋波，這往往需要截止頻率很低的高階低通濾波器將其濾除，然后再將濾波后的信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。該濾波器對模數(shù)轉(zhuǎn)換器而言起到抗混疊的作用。滿足這種要求的濾波器實(shí)現(xiàn)起來十分困難和復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種消除斬波放大器殘留的高頻紋波的新方法，并將該方法用于一種具有數(shù)字輸出的、不需要低通濾波器的新型測量電路。為此，本發(fā)明提出的消除斬波紋波的方法包括如下步驟在一個斬波周期內(nèi)，對斬波電路的輸出信號以兩倍的斬波頻率進(jìn)行兩次采樣，兩次采樣的值積分后相加，以保留有用信號，消除紋波。優(yōu)選地，所述采樣、積分、相加的功能用積分器實(shí)現(xiàn)，并在有用信號和經(jīng)過采樣、積分、相加后的信號的重合相位對積分器輸出進(jìn)行量化。優(yōu)選地,所述采樣、積分、相加的功能用sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的第一級積分器來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)該方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括采樣電路、積分電路和時域求和電路，所述采樣電路在一個斬波周期內(nèi)，對斬波電路的輸出信號以兩倍的斬波頻率進(jìn)行兩次采樣，所述積分電路對兩次采樣的值積分，所述時域求和電路對積分后的信號相加后輸出。優(yōu)選地，所述采樣電路、積分電路、時域求和電路用Sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的第一級積分器來實(shí)現(xiàn)sigma-delta ADC的輸入端連接前級斬波電路的輸出，從而斬波電路的輸出信號直接輸入ADC中的第一級開關(guān)電容積分器,該積分器對斬波電路的輸出信號米樣、積分并求和，該積分器的輸出再送入ADC后級電路。優(yōu)選地,所述的sigma-delta ADC中使用開關(guān)電容積分器,積分器的個數(shù)不少于I級，其第一級開關(guān)電容積分器工作在兩倍斬波頻率，如有后級開關(guān)電容積分器，則后級開關(guān)電容積分器工作在斬波頻率。本發(fā)明對一個斬波周期內(nèi)的信號進(jìn)行間隔為斬波周期一半時間的兩次采樣，并將兩次采樣值積分求和，從而保留了有用信號，消除了斬波殘留的紋波信號。新型的信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括斬波放大器和級聯(lián)在其后的sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用內(nèi)嵌于sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)結(jié)構(gòu)，利用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器中第一級積分器的模擬加法功能對斬波放大器輸出信號中的殘余紋波進(jìn)行一階整形(電壓求和)，從而降低紋波幅度，削弱其對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度的影響。該電路不需要斬波放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的模擬低通濾波器，節(jié)約了功耗、面積，簡化了電路的設(shè)計。因此，本發(fā)明具有如下有益效果其一，不需要使用低通濾波器，從而降低了整體電路的功耗和面積。其二，利用sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器自身所具有的第一級積分器實(shí)現(xiàn)對斬波放大器輸出信號的采樣、積分和求和，不需要額外的電路實(shí)現(xiàn)以上功能。該積分器同時完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其輸入信號的采樣功能，不影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作。既不增加電路設(shè)計的復(fù)雜度，又不額外消耗面積和功耗。使用該方法實(shí)現(xiàn)的該種結(jié)構(gòu)的測量電路功耗低、面積小，適用于生物醫(yī)療電子系統(tǒng)和手持監(jiān)測設(shè)備。另外，在實(shí)現(xiàn)高精度或者中等精度的模數(shù)信號轉(zhuǎn)換時，本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)方法和電路在面積、功耗和實(shí)現(xiàn)難度等方面具有較好的折中，有廣泛的應(yīng)用背景。


圖1是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；圖2是使用本發(fā)明設(shè)計方法的信號測量電路；圖3是消除斬波殘留紋波的原理說明圖4是復(fù)用第一級積分器的原理圖；圖5是斬波頻率、第一級積分器和第二級積分器工作時序；圖6是使用本發(fā)明方法的新型測量電路的仿真驗證結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對通過按此設(shè)計方案實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。圖2是采用本發(fā)明提出的消除斬波紋波方法的測量電路的整體結(jié)構(gòu)圖，斬波放大器10的輸出和二階Sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器20的輸入直接相連。其中放大器10使用斬波技術(shù)降低直流失調(diào)和低頻噪聲；二階sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器20的第一級積分器模塊21的工作頻率為斬波頻率的二倍，第二級積分器22工作頻率與斬波頻率相同。下面對本實(shí)施例對斬波放大器輸出的帶有高頻紋波的信號進(jìn)行一階整形的原理說明如下。斬波放大器的輸出信號既包括低頻的有用信號，也包括殘余的高頻斬波紋波。在放大器自身的濾波作用下，通常殘留紋波近似為三角波。由于斬波頻率遠(yuǎn)高于有用信號頻率，因此在一個斬波周期之內(nèi)，可以近似認(rèn)為有用信號的幅度是不變的。以圖3為例(圖3中，t代表時間軸，最上面兩條曲線中,虛線代表理想的輸入,實(shí)線代表帶紋波的輸入；中間一條曲線表示開關(guān)電容積分器工作頻率；最下面兩條曲線(最鄰時間軸的曲線)中，虛線代表理想的輸出，實(shí)線代表帶紋波的輸出)，在斬波周期內(nèi)有用信號幅度不變，如虛線所示，滿足下面公式(I)。殘留的頻率為的高頻紋波則疊加在有用信號上，為近似對稱的三角波，如實(shí)線所示，滿足下面公式(2)。使用頻率為2f；h_OT的時鐘信號對該輸出信號進(jìn)行采樣，則第一次采樣的到的信號如下面公式(3)所示，第二次采樣得到的信號如下面公式(4)所示。由于三角波在有用信號上下變化，而且是近似對稱的，因此前后兩次采樣信號求和后得到的信號幅度等于有用信號的幅度的兩倍，如下面公式(5)所示。基于這一原理，高頻紋波經(jīng)過兩次采樣和求和后被消除，只留下了有用信號。在公式(I) - (5)中，Vsignal表不有用的信號，Vresidual表不殘留紋波，Vtjut表不米樣得到的輸出信號，Vout； sum表不兩次米樣信號求和后的輸出信號,Tcjmppct是斬波周期,f—ρρα是斬波頻率。
I
權(quán)利要求
1.一種消除斬波紋波的方法，其特征在于包括如下步驟在一個斬波周期內(nèi)，對斬波電路的輸出信號以兩倍的斬波頻率進(jìn)行兩次采樣，兩次采樣的值積分后相加，以保留有用信號，消除紋波。
2.如權(quán)利要求1所述的消除斬波紋波的方法，其特征在于，所述采樣、積分、相加的功能用積分器實(shí)現(xiàn)，并在有用信號和經(jīng)過采樣、積分、相加后的信號的重合相位對積分器輸出進(jìn)行量化。
3.如權(quán)利要求2所述的消除斬波紋波的方法，其特征在于，所述采樣、積分、相加的功能用sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的第一級積分器來實(shí)現(xiàn)。
4.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于包括采樣電路、積分電路和時域求和電路，所述采樣電路在一個斬波周期內(nèi)，對斬波電路的輸出信號以兩倍的斬波頻率進(jìn)行兩次采樣，所述積分電路對兩次采樣的值積分，所述時域求和電路對積分后的信號相加后輸出。
5.如權(quán)利要求4所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述采樣電路、積分電路、時域求和電路用sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的第一級積分器來實(shí)現(xiàn)sigma-delta ADC的輸入端連接前級斬波電路的輸出，從而斬波電路的輸出信號直接輸入ADC中的第一級開關(guān)電容積分器，該積分器對斬波電路的輸出信號采樣、積分并求和，該積分器的輸出再送入ADC后級電路。
6.如權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,其特征在于所述的sigma-deltaADC中使用開關(guān)電容積分器，積分器的個數(shù)不少于I級，其第一級開關(guān)電容積分器工作在兩倍斬波頻率。
7.如權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,其特征在于所述的sigma-deltaADC中使用開關(guān)電容積分器，積分器的個數(shù)不少于2級，其第一級開關(guān)電容積分器工作在兩倍斬波頻率，后級開關(guān)電容積分器工作在斬波頻率。
全文摘要
本發(fā)明提出一種消除斬波紋波的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。該方法對一個斬波周期內(nèi)的信號進(jìn)行間隔為斬波周期一半時間的兩次采樣，并將兩次采樣值做積分、求和，從而保留了有用信號，消除了斬波殘留的紋波信號。所述信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括斬波放大器和級聯(lián)在其后的sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用內(nèi)嵌于sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)結(jié)構(gòu)，利用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器中第一級積分器的模擬加法功能對斬波放大器輸出信號中的殘余紋波進(jìn)行一階整形(電壓求和)，從而降低紋波幅度，削弱其對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度的影響。該電路不需要斬波放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的模擬低通濾波器，節(jié)約了功耗、面積，簡化了電路的設(shè)計。
文檔編號H03M1/12GK103023502SQ20121046866
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者姜琿, 王自強(qiáng), 張春, 麥宋平, 陳虹, 姜漢鈞, 王志華 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院