高精度Sigma-Delta ADC芯片設計研究

劉慶一 孫艷杰 孫文海 劉瑞華 趙義強

1.大唐半導體科技有限公司 山東省青島市 266100 2.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）山東省科學院自動化研究所 山東省濟南市 250014

1 引言

近年來，隨著傳感器技術的發(fā)展，各類傳感器廣泛應用于工業(yè)及汽車電子產(chǎn)品等領域。模數(shù)轉換器（ADC）作為傳感器信號數(shù)字化的重要電路單元，對其精度及速度要求較高。Sigma-Delta ADC 利用過采樣和噪聲整形技術，可以提高信號的信噪比，提升轉換精度。

本文專注于高精度模數(shù)轉換器芯片的設計，研究面向車規(guī)級傳感器信號采集應用的16-bit高精度、低噪聲微弱電信號采集和模數(shù)轉換電路的架構設計技術，以及低噪聲設計技術、失調消除技術、高性能信號緩沖器軌到軌輸入級設計技術。設計高精度、數(shù)據(jù)率可調Sigma-delta調制器，低通帶紋波降采樣濾波器設計技術，低噪聲參考電壓產(chǎn)生技術、電源和共模干擾抑制技術，實現(xiàn)高可靠高精度Sigma-Delta型模數(shù)轉換器芯片。

2 總體方案

總體架構如圖1所示，由多位Sigma Delta調制器、重建濾波器、可編程抽取濾波器、FIR濾波器以及輸入緩沖器、控制邏輯等構成。片內(nèi)集成基準電壓驅動緩沖器以及用于輸入信號緩沖、電平轉換的差分放大器，形成高度集成的緊湊型數(shù)據(jù)采集器件，消除復雜模擬前端信號處理電路設計需求，簡化ADC使用。

圖1 Delta sigma ADC系統(tǒng)架構示意圖

3 電路實現(xiàn)

3.1 Delta sigma調制器

Delta sigma調制器結構如圖2所示，為滿足高精度高速性能需求，將采用帶有雙采樣積分器的3階5-bit多比特量化高階調制器結構。調制器電路基于離散時間的開關電容電路實現(xiàn)，包括三個開關電容積分器、一個5-bit異步時序逐次逼近量化器、動態(tài)元件匹配電路、32級的開關電容DAC等。

圖2 基于3階5-bit多比特量化的調制器結構示意圖

在5-bit量化器中，第一級、第三級的采樣電容和反饋電容均分成31個單元，用來完成32級數(shù)模轉換（DAC），并通過對第一、第二、第三級的單位電容進行優(yōu)化設計降低開關KT/C噪聲。

差分輸入由調制器以最高40MSPS的采樣速率進行采樣，可在64倍過采樣率下實現(xiàn)最高625kSPS的轉換速率。所有的控制信號由雙向不交疊時鐘產(chǎn)生，避免電荷注入帶來的誤差。第一級積分器的輸入采樣開關采用自舉開關，消除采樣開關的非線性導通電阻帶來的失真；內(nèi)部采樣和反饋開關，由于傳輸電平幅度變化較大，為保證良好的導通性使用互補CMOS開關。圖3為雙采樣積分器與時序示意圖。

圖3 雙采樣積分器與時序示意圖

在第一級積分器內(nèi)部跨導放大器（OTA）的輸入和輸出端使用斬波技術來消除OTA的1/f噪聲和失調，圖4為積分器中斬波技術示意圖。通過選擇斬波動作與時鐘相的關系，減小對時序的要求。通過優(yōu)化斬波頻率，降低過快的時鐘翻轉帶來的額外開關噪聲和功耗。

圖4 積分器中斬波技術示意圖

量化器前擬采用一種新型的模擬加法器結構，消除傳統(tǒng)的模擬加法器帶來的幅度衰減，避免補償運放或者降低參考電壓帶來的消耗，減小功耗，降低電路實現(xiàn)難度。

調制器采用一種5-bit異步時序的逐次逼近的量化器，相比基于傳統(tǒng)的Flash結構的5-bit量化器，有明顯的面積和功耗優(yōu)勢。采用異步時序邏輯，相比同步時序，不需要高速的外部時鐘，減小功耗代價。和前級積分器采用同一時鐘，簡化電路實現(xiàn)。

量化器通過一個溫度計譯碼器，轉換成溫度計碼。然后通過動態(tài)元件匹配（DEM）模塊，轉換成DAC的控制信號，完成DAC反饋。DEM采用一種基于數(shù)據(jù)加權平均（DWA）算法的方式實現(xiàn)，具有實現(xiàn)簡單、硬件代價較低的優(yōu)點。

3.2 運算放大器設計

由于采用多階積分器結構，后級引入的噪聲會被環(huán)路抑制。第一積分器內(nèi)部OTA必須被仔細設計，才能避免OTA引入的噪聲和非理想因素嚴重惡化調制器性能。OTA的有限增益會對積分器引入增益誤差和NTF的極點誤差，造成量化噪聲泄漏，此外OTA的非線性增益也將造成量化噪聲混疊，從而增加帶內(nèi)噪聲能量。第一級積分器內(nèi)部OTA原理圖如圖5所示。

由于采用前饋結構和多比特量化，積分器的輸出擺幅有很顯著的縮減，因此增益非線性的影響被弱化很多，如圖5所示，第一級積分器將采用電流鏡運放結構。輸入管采用PMOS輸入，用來減小OTA貢獻的1/f噪聲，此外PMOS獨立的N阱也可以屏蔽數(shù)字電路到模擬電路的耦合噪聲串擾，輸出級采用cascade結構用來提高增益。電流鏡運放結構的優(yōu)點是主級點和非主極點相距甚遠，OTA的相位裕度接近90度，接近為一個單級運放，當閉環(huán)工作時，穩(wěn)定性非常強。同時，電路采用電流消去技術，將非主極點的從高頻往低頻處推，進而可以使OTA的相位裕度下降到60度附近，此時積分器建立特性最為理想。

圖5 第一級積分器內(nèi)部OTA原理圖

3.3 5-bit SAR量化器設計

采用的5-Bit異步時序控制SAR量化器的結構、時序以及控制邏輯如圖6（a）所示。整個SAR量化器共包括三大模塊：開關電容陣列、比較器和異步時序邏輯。開關電容陣列采用二進制的方式分布，開關電容陣列所有的電容在積分相為第三級積分器的負載，因此對電容值進行優(yōu)化設計，保證第三級積分器完全建立的同時降低工藝引起的電容失配影響。比較器采用一種動態(tài)比較器實現(xiàn)。圖6(b)為SAR量化器的工作時序。

圖6 （a）5-Bit異步時序SAR量化器結構 （b）工作時序

3.4 動態(tài)匹配邏輯設計

將采用基于數(shù)據(jù)加權品均算法（DWA）的動態(tài)匹配（DEM）技術來消除多比特DAC引入的非線性失真，該算法DWA具有實現(xiàn)簡單，消除DAC非線性效果好的優(yōu)點。圖7給出基于DWA算法的DEM實現(xiàn)框圖。SAR量化器在Φ相時，對輸入信號進行量化、然后將輸出的二進制碼輸入溫度計編碼器，產(chǎn)生溫度器編碼。溫度計編碼放入一個循環(huán)移位寄存器，等待31位寄存器的移位指針的控制信號，來進行輸出。溫度計編碼輸出進入計數(shù)器，進行一個求和，后級處理保證和不能大于31，然后將這個數(shù)送入寄存器。最終產(chǎn)生移位指針給循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生DWA的31位輸出。數(shù)據(jù)加權平均碼由Φ控制，用來產(chǎn)生調制器中的開關，實現(xiàn)DAC反饋。

圖7 動態(tài)元件匹配邏輯結構示意圖

3.5 Bandgap和參考電壓產(chǎn)生電路

Bandgap和參考電壓產(chǎn)生電路對高精度ADC設計至關重要，設計中將片內(nèi)集成參考電壓緩沖級，由于為柵極高阻輸入，因此電阻串分壓即可完成參考。如圖8所示的兩級放大器為片內(nèi)參考電壓緩沖級，第一級采用五管差轉單電路，后接一級共源放大器輸出。由于參考緩沖級引入的噪聲不能被調制器環(huán)路抑制，將直接疊加到輸入信號上，需對參考電路進行低噪聲設計與優(yōu)化。

圖8 電壓參考緩沖級

除了熱噪聲的影響，低頻1/f噪聲也必須被抑制到足夠低的水平。運放采用簡潔結構，盡量減少噪聲來源。電路將采用斬波技術，用來消除低頻失調和1/f噪聲。

3.6 濾波器設計

采用的降采樣濾波器結構如圖9所示，將采用六級級聯(lián)結構減小濾波器設計難度。濾波器的前四級由于過渡帶較寬，對性能要求相對較低，因此采用容易實現(xiàn)的組合（Comb）濾波器，前兩級和第三第四級分別為四階和五階Comb濾波器。后兩級由于過渡帶非常窄，而且對整個降采樣濾波器的性能起著決定性作用，因此采用2個高階FIR結構的半帶濾波器實現(xiàn)。每一級濾波器對信號完成2倍的降采樣，因此整個半帶濾波器完成64倍降采樣。

圖9 降采樣濾波器的系統(tǒng)結構

前四級組合（Comb）濾波器采用級聯(lián)積分梳狀(Cascaded Integrator Comb，CIC)濾波器，屬于線形相位FIR濾波器，由工作在高抽樣率的級聯(lián)理想積分器和低抽樣率的級聯(lián)微分器組成。CIC濾波器的主要特點是：實現(xiàn)簡單且速度高，僅利用加法器、寄存器以及多路選通器就可以實現(xiàn)，因此實現(xiàn)代價小。第一、二級采用四階結構，而第三、四級采用五階結構。前四級Comb濾波器的實現(xiàn)方法比較相似，圖10給出第四級5階Comb濾波器結構示意圖，其工作在1/16芯片主時鐘頻率，可以采用時分復用的方式來減小硬件代價。通過采用時分復用，本級濾波器只需一個多位加法器即可實現(xiàn)。表1為第四級Comb濾波器工作時序示意。

表1 第四級Comb濾波器工作時序示意

圖10 第四級Comb濾波器結構

整個降采樣濾波器最后兩級將采用線性相位的FIR半帶濾波器實現(xiàn)，其決定著整個降采樣濾波器的性能。為了達到24-Bit的精度，高頻噪聲必須要被衰減到足夠低的程度，加上此時濾波器過渡帶十分窄，因此半帶濾波器阻帶衰減至少要大于100dB，此外還需要盡量窄的過渡帶。由于采用FIR結構，要求高階數(shù)濾波器。傳統(tǒng)方式實現(xiàn)，高階濾波器將占據(jù)十分大的芯片面積和功耗。擬采用一種高效的110階級聯(lián)子濾波器結構的FIR半帶濾波器，同時采用時分復用和濾波器系數(shù)CSD編碼的實現(xiàn)方法，從而達到低功耗、低面積消耗的高階濾波器實現(xiàn)。兩級半帶濾波器將采用同樣的結構實現(xiàn)，如圖11所示，圖中F2為級聯(lián)的子濾波器，子濾波器F2結構如圖12所示。

圖11 半帶濾波器結構

圖12 子濾波器F2結構

4 結束語

本文基于正向設計和反向參考，采用中芯國際0.13um CMOS工藝，離散時間sigma-delta架構，模擬前端著重改善噪聲性能，優(yōu)化差分匹配和通道匹配，增強通道隔離；在數(shù)字域使用數(shù)字濾波，濾除50/60Hz工頻噪聲，提高了信噪比。