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智能温度传感芯片中Δ-Σ调制器的设计
作者：RFID世界网 收编
来源：电子技术应用2011年第2期
日期：2011-04-22 09:43:40
摘要：从模数转换的基本理论出发, 在对一阶Δ-Σ调制器原理深入解析的基础上，得到Δ-Σ ADC动态输入范围的计算方法。利用Matlab simulink 建立了二阶Δ-Σ调制器系统模型，对调制器电路进行仿真和参数优化，对其性能进行了有效评估。使用轨对轨折叠式共源共栅运算放大器作为调制器的积分器，增大了调制器的动态输入范围；设计的高速比较器将NMOS 负载管交叉耦合从放大器输出端引入正反馈，提高了转换速度。设计实现了一款适用于14 bit温度转换芯片的二阶△-∑调制器,信噪比SNR可达87 dB。
传统的A/D、D/A转换器常采用单纯的电阻网络设计，其优点是对采样率要求不高。由于A/D转换器精度的提高,传统的转换器在深亚微米工艺下很难实现。Σ-ΔADC是一种基于由Inose和Yasuda在1962年提出的Σ-Δ噪声整形技术的过采样型A/D转换器，通过速度换取精度, 降低了对电路性能的要求, 是实现高精度ADC的一种有效方式[1]。由于Σ-Δ调制器具有的噪声整形作用，现代集成微加速度计越来越多采用Σ-Δ调制器来实现一个模数转换过程，实现数字信号输出是未来智能传感器必备的条件之一[2]。
1 一阶Δ-Σ调制器的分析
图1所示为一阶积分电路，在输入和反馈通道上加入增益环节，同时也避免了Δ-Σ调制器模型积分器饱和现象的发生。这里采用反相积分器，clk1与clk2为一对非重叠时钟脉冲，clk1d为clk1 delay时钟，Vcm为虚地。若不考虑反馈，在clk1时，采样电容C1上的电荷为Q1=C1×Vin，当clk2积分相到来时，积分电容C3上的电荷量是Q2=C3×(Vcm-Vout)。
如图2所示，为二阶Δ-Σ调制器模型。模型包括：信号源sin wave、增益模块gain、单位延迟积分unit delay、比较器relay、频谱分析模块B-FFT。相对于非延时积分器，采用延时积分器的一个很大的好处在于运放不
图3为本文设计的二阶Δ-Σ调制器的具体电路框图。由开关电容积分器、锁存比较器和1位D/A组成。表1表述了该电路的时序工作状态。当nT时刻clk1导通时，第一级积分器的采样电容C1对Vin(nT)电压采样，此时，第二级积分器采样电容C4对Vo1[(n-1)T]进行采样，锁存比较器将数据QB[(n-2)T]输出。当clk2导通时，第一级积分器积分，得到Vo1(nT)，第二级积分器积分得到Vo2[(n-1)T]，同时锁存比较器对积分输出电压Vo2[(n-1)T]进行比较，得到Q(n-1)，计数器输入数据QB[(n-2)T]。当(n+1)T时刻，clk1导通时，C1对Vin[(n+1)T]采样，C4则对Vo1(nT)采样；锁存比较器将数据QB[(n-1)T]输出；clk2导通时，第一级积分器积分，得到Vo1[(n+1)T]，第二级积分器积分得到Vo2(nT)，同时锁存比较器对积分输出电压Vo2(nT)进行比较，得到Q(n)，计数器输入数据QB[(n-1)T]。由此可知，从信号输入到调制器输出QB，信号延迟了两个周期。
3 二阶Δ-Σ A/D调制器的仿真
CMOS温度传感模块将温度信号转换成与之对应的电压信号,并经过电平移位，增强其驱动能力。转换得到的电压信号进入二阶Δ-Σ调制器，锁存比较器得到的数字信号再进入14 bit计数器进行计数。静态仿真波形如图4，在25 ℃下，温度传感模块输出电压经过电平移位后VTOUT=2.6 V，即为二阶Δ-Σ调制器的输入。
智能温度传感芯片集成了带隙基准电压电路、偏置电路和控制时钟产生电路等外围模块。利用Matlab simulink对二阶Δ-Σ调制模块进行建模、仿真和参数设定；采用轨对轨折叠式共源共栅放大器增大信号输入范围；并利用正反馈的高速锁存比较器，提高了转换速度。应用Cadence和HSpice仿真工具对系统进行了仿真，并从仿真结果来看，其信噪比为 82 dB，精度可以达到14 bit，测温动态范围为-50 ℃～150 ℃。在完成电路设计的基础上，应用Cadence的Vituoso Layout Editor完成了系统的所有版图设计，通过了基本的版图验证，证明其符合生产流片的要求，并进行样片的生产，已经成功流片和测试。
参考文献
[1] YAO L,STEYAERT M,SANSEN W.A 1 V 140 uW 88 dB audio sigma delta modulator in 90 nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-state Circits，2004，39(11)：1182-1817.
[2] HORN G V D，HUIJSING J H.Integrated smart sensor calibration[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing，1997，14：207-222.
[3] David A Johns，Ken Matin著模拟集成电路设计[M].曾朝阳译.机械工业出版社.2005：283-288.
[4] Amourah Mezyad M，Geiger Raudall L.A High Gain Stategies Using Positive-feedback Gain Enhancement Technique，Circuit and Sustems [C].2001.ISCAS.The 2001 IEEE International Symposium on，2001：631-634.
1 一阶Δ-Σ调制器的分析
图1所示为一阶积分电路，在输入和反馈通道上加入增益环节，同时也避免了Δ-Σ调制器模型积分器饱和现象的发生。这里采用反相积分器，clk1与clk2为一对非重叠时钟脉冲，clk1d为clk1 delay时钟，Vcm为虚地。若不考虑反馈，在clk1时，采样电容C1上的电荷为Q1=C1×Vin，当clk2积分相到来时，积分电容C3上的电荷量是Q2=C3×(Vcm-Vout)。
如图2所示，为二阶Δ-Σ调制器模型。模型包括：信号源sin wave、增益模块gain、单位延迟积分unit delay、比较器relay、频谱分析模块B-FFT。相对于非延时积分器，采用延时积分器的一个很大的好处在于运放不
图3为本文设计的二阶Δ-Σ调制器的具体电路框图。由开关电容积分器、锁存比较器和1位D/A组成。表1表述了该电路的时序工作状态。当nT时刻clk1导通时，第一级积分器的采样电容C1对Vin(nT)电压采样，此时，第二级积分器采样电容C4对Vo1[(n-1)T]进行采样，锁存比较器将数据QB[(n-2)T]输出。当clk2导通时，第一级积分器积分，得到Vo1(nT)，第二级积分器积分得到Vo2[(n-1)T]，同时锁存比较器对积分输出电压Vo2[(n-1)T]进行比较，得到Q(n-1)，计数器输入数据QB[(n-2)T]。当(n+1)T时刻，clk1导通时，C1对Vin[(n+1)T]采样，C4则对Vo1(nT)采样；锁存比较器将数据QB[(n-1)T]输出；clk2导通时，第一级积分器积分，得到Vo1[(n+1)T]，第二级积分器积分得到Vo2(nT)，同时锁存比较器对积分输出电压Vo2(nT)进行比较，得到Q(n)，计数器输入数据QB[(n-1)T]。由此可知，从信号输入到调制器输出QB，信号延迟了两个周期。
3 二阶Δ-Σ A/D调制器的仿真
CMOS温度传感模块将温度信号转换成与之对应的电压信号,并经过电平移位，增强其驱动能力。转换得到的电压信号进入二阶Δ-Σ调制器，锁存比较器得到的数字信号再进入14 bit计数器进行计数。静态仿真波形如图4，在25 ℃下，温度传感模块输出电压经过电平移位后VTOUT=2.6 V，即为二阶Δ-Σ调制器的输入。
智能温度传感芯片集成了带隙基准电压电路、偏置电路和控制时钟产生电路等外围模块。利用Matlab simulink对二阶Δ-Σ调制模块进行建模、仿真和参数设定；采用轨对轨折叠式共源共栅放大器增大信号输入范围；并利用正反馈的高速锁存比较器，提高了转换速度。应用Cadence和HSpice仿真工具对系统进行了仿真，并从仿真结果来看，其信噪比为 82 dB，精度可以达到14 bit，测温动态范围为-50 ℃～150 ℃。在完成电路设计的基础上，应用Cadence的Vituoso Layout Editor完成了系统的所有版图设计，通过了基本的版图验证，证明其符合生产流片的要求，并进行样片的生产，已经成功流片和测试。
参考文献
[1] YAO L,STEYAERT M,SANSEN W.A 1 V 140 uW 88 dB audio sigma delta modulator in 90 nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-state Circits，2004，39(11)：1182-1817.
[2] HORN G V D，HUIJSING J H.Integrated smart sensor calibration[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing，1997，14：207-222.
[3] David A Johns，Ken Matin著模拟集成电路设计[M].曾朝阳译.机械工业出版社.2005：283-288.
[4] Amourah Mezyad M，Geiger Raudall L.A High Gain Stategies Using Positive-feedback Gain Enhancement Technique，Circuit and Sustems [C].2001.ISCAS.The 2001 IEEE International Symposium on，2001：631-634.
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