CN102916703A - 一种1位数模转换及开关电容滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种1位数模转换及开关电容滤波电路，所述的1位数模转换及开关电容滤波电路包括一个运算放大器（13），耦合在运算放大器负输入端和输出之间的反馈电容器（12），第一采样电容器（11），第二采样电容器（10），以及用于对反馈电容和采样电容进行充放电的开关切换装置；所述的切换装置在充电期间将第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）的第一侧耦合到电源电压VDD或地GND，将第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）的第二侧耦合到参考电压Vcm；所述的切换装置在保持期间将第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）耦合到所述的反馈电容器（12）。本发明的电路不但具有数字到模拟之间的转换功能，还同时具有低通滤波的功能。

Description

一种1位数模转换及开关电容滤波电路

技术领域

本发明主要涉及到开关电容数模转换器，并且特别但不排它地涉及应用于数字音频信号的1位数模转换及开关电容滤波电路。

背景技术

过去，数模转换器主要应用于数据采集***、工业过程控制、测量及分析等领域。但是进入二十一世纪以后，数字技术开始进入音频及视频领域，特别是CD、VCD、DVD及家庭影院进入寻常百姓家，各种便携式播放机(MP3、MD)更为年轻人所青睐；无线数字通信(如手机)发展神速，数码相机完全取代传统的相机，车载数字音响也不断增加。总之，数字技术的快速发展和应用领域越来越宽，使得数模转换器电路也相应获得较快的发展与进步。

这些音频电子产品之所以在短短十年间出现如此迅猛的普及速度，主要原因在于它们的输出音质越来越好、价格越来越低、体积越来越小、产品的续航能力越来越强。这些都归功于音频处理技术和集成电路工艺水平的不断提高。同时，市场的积极反应又反过来推动了音频处理技术的进一步发展，使之成为了这几年集成电路领域的研究热点。

音频处理领域对数模转换器的精度要求相对较高，为了保证音频信号真正高品质地输出，通常要求达到16位以上的有效精度。对于输出模拟信号满量程是1v的数模转换器来说，如果想实现16位精度，1LSB对应的电压为1/2^16＝15μV，所以要求数模转换器输出的模拟电压与理想值的偏差不能超过7.5μV，如果不采用昂贵的激光校正或者其它的修正方法，这个精度如果采用传统类型的数模转换器结构根本就无法实现。

ΣΔ(Sigma-Delta)技术解决了这个问题，不但可以实现高精度转换，而且还不需要精确匹配的模拟器件，因而是最适合数字音频应用的数模转换器实现方案，它使得输出的音频信号品质更加趋近完美，同时也降低了成本和功耗，是目前实现高精度数据转换的首要技术。

图1显示了其中一种采用ΣΔ技术的数模转换器电路，输入为16位频率为fs的数字音频信号，经过插值滤波器和ΣΔ调制器之后，变为1位频率为N*fs的高频数字音频信号，然后再经过一个数字到模拟之间的转换电路来实现数字到模拟转换的功能(DAC)，比较通用的方式是采用开关电容转换电路，开关电容转换电路处理后的信号在幅度是连续的，但是在时间上还是离散的，因此在开关电容转换电路后面还需要接一个模拟重构滤波器，除去高频噪声，还原真正的模拟音频信号。

开关电容DAC采用“直接电荷转移”数模转换结构，如图2所示，在相位Φ1闭合期间，采样电容C₁根据输入的数字信号S₁的值进行充电或者放电，在相位Φ2闭合期间，采样电容C₁和反馈电容C_FB并联到运算放大器的输入输出端，采样电容C₁和反馈电容C_FB之间发生电荷转移，实现数字到模拟转换的功能，该结构中运放无需提供驱动电流，所以功耗大大降低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种应用于数字音频信号的1位数模转换及开关电容滤波电路，所述的数模转换除了具有数字到模拟之间的转换功能之外，还具有低通滤波功能。

上述目的由以下技术方案实现：

一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其特征在于：包括一个运算放大器13，耦合在运算放大器负极输入和输出之间的反馈电容器12，第一采样电容器11，第二采样电容器10，以及用于对反馈电容和采样电容进行充放电的开关切换装置；所述的切换装置在充电期间将第一采样电容器11和第二采样电容器10的第一侧耦合到电源电压VDD或地GND，将第一采样电容器11和第二采样电容器10的第二侧耦合到参考电压Vcm；所述的切换装置在保持期间将第一采样电容器11和第二采样电容器10耦合到所述的反馈电容器12。

附图说明

图1是本发明所应用的一种采用ΣΔ技术的数模转换器电路示意图；

图2是本发明所提出的一种1位数模转换及开关电容滤波电路示意图；

图3是本发明所提出的电路的差分实现方式的示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明所应用的一种采用ΣΔ技术的数模转换器电路示意图，输入为16位频率为fs的数字音频信号，经过插值滤波器和ΣΔ调制器之后，变为1位频率为N*fs的高频数字音频信号，然后再经过一个数字到模拟之间的转换电路来实现数字到模拟转换的功能(DAC)，比较通用的方式是采用开关电容转换电路，开关电容转换电路处理后的信号在幅度是连续的，但是在时间上还是离散的，因此在开关电容转换电路后面还需要接一个模拟重构滤波器，除去高频噪声，还原真正的模拟音频信号。

图2是本发明所提出的一种1位数模转换及开关电容滤波电路示意图，包括一个运算放大器13，耦合在运算放大器负极输入和输出之间的反馈电容器12，第一采样电容器11，第二采样电容器10，以及用于对反馈电容和采样电容进行充放电的开关切换装置；所述的切换装置在充电期间将第一采样电容器11和第二采样电容器10的第一侧耦合到电源电压VDD或地GND，将第一采样电容器11和第二采样电容器10的第二侧耦合到第三参考电压Vcm；所述的切换装置在保持期间将第一采样电容器11和第二采样电容器10耦合到所述的反馈电容器12。

参照图2所示，在相位Φ1闭合期间，第一采样电容器11和第二采样电容器10，根据输入的数字信号S₁的值进行充电或者放电，在相位Φ2闭合期间，第一采样电容器11和第二采样电容器10与反馈电容器12一起并联到运算放大器的输入输出端，采样电容C₁和反馈电容C_FB之间发生电荷转移，实现数字到模拟转换的功能，该结构中运放无需提供驱动电流，所以功耗大大降低。

参照图2所示电路，其传输函数可计算为：

Φ1闭合时，总电荷为：

Q_Φ1=S(n)*C₁+S(n-1)*C₁

=(1+z^-1)*C₁*S(z)

Φ2闭合时，由于C_FB没有放电过程，C_FB上累积了上次的总电荷，而且C₁和C_FB是并联关系，所以总电荷变为：

Q_Φ2=(2C₁+C_FB)*V(n)-C_FB*V(n+1)

=(2C₁+C_FB-C_FB*z)*V(z)

因此有： $H\left(z\right)=\frac{V\left(z\right)}{S\left(z\right)}=\frac{(1+z^{-1})*C_1}{(2C_1+C_{\mathrm{FB}}-C_{\mathrm{FB}}*z)}=\frac{1/2(1+z^{-1})}{1+C_{\mathrm{FB}}/2C_1-(C_{\mathrm{FB}}/2C_1)*z^{-1}}$

从传输函数中可以看出，本发明所提出的一种1位数模转换及开关电容滤波电路不但具有数字到模拟之间的转换功能，还同时具有一阶开关电容低通滤波(SC LPF)和一阶有限冲击响应(FIR)滤波的功能，提高了电路抗时钟抖动的能力，有效的改善了输出信号的信噪比。

图3是图2电路的差分实现方式的示意图，工作原理与图2相同，这里不再详述。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。例如增加图2中开关电容的数量可以实现更高位数的数模转换，再例如增加图3中寄存器的数量可以实现更高阶数的FIR滤波功能。

Claims (8)

1.一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其特征在于：包括一个运算放大器（13），耦合在运算放大器负输入端和输出之间的反馈电容器（12），第一采样电容器（11），第二采样电容器（10），以及用于对反馈电容和采样电容进行充放电的开关切换装置；所述的切换装置在充电期间将第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）的第一侧耦合到电源电压VDD或地GND，将第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）的第二侧耦合到参考电压Vcm；所述的切换装置在保持期间将第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）耦合到所述的反馈电容器（12）。

2.根据权利要求1所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的运算放大器为差分输入单端输出，其正输入端与参考电压Vcm相连。

3.根据权利要求1所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的开关切换装置由输入的数字信号S₁、S₂和时钟信号Φ1、Φ2来共同控制闭合或者打开。

4.根据权利要求1所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的开关切换装置可以设置为高电平时闭合，使得信号传输通路导通，低电平时打开，使得信号传输通路被切断。

5.根据权利要求3所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的输入数字信号S₁是Sigma-Delta调制器输出的二进制比特流，所述的输入数字信号S₂是输入数字信号S₁经过一个寄存器延迟一个时钟周期后的输出。

6.根据权利要求3所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的时钟信号Φ1和Φ2为相同频率下的两相非交叠时钟。

7.根据权利要求1所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的第一采样电容器（11）的容值和第二采样电容器（10）的容值相等。

8.根据权利要求1所述的一种1位数模转换及开关电容滤波电路，其中所述的开关电容滤波电路的传输函数为：                                               

，其中C₁为第一采样电容器（11）和第二采样电容器（10）的容值，C_FB为反馈电容器（12）的容值。

Images