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KR20010096789A - Sigma-delta modulator with efficient clock speeds - Google Patents

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KR20010096789A
KR20010096789A KR1020000019679A KR20000019679A KR20010096789A KR 20010096789 A KR20010096789 A KR 20010096789A KR 1020000019679 A KR1020000019679 A KR 1020000019679A KR 20000019679 A KR20000019679 A KR 20000019679A KR 20010096789 A KR20010096789 A KR 20010096789A
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KR
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clock
switched capacitor
sigma
delta modulator
integrator
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KR1020000019679A
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Inventor
윤광섭
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조양호
학교법인 인하학원
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Abstract

본 발명은 시그마 델타 변조기에 관한 것으로 특히, 순차적으로 세 개의 스위치드 커패시터 적분기를 나열 형성하고, 제 1적분기에는 1 MHz, 제 2와 제 3적분기에는 4 MHz를 동기신호로 사용하되, 상기 적분기를 구현하는 연산증폭기는 완전 차동 2단 구조를 갖으며, 차동 구조는 연산 증폭기의 DC 이득을 6 dB 향상시키고, 오프셋 전압을 줄일 수 있음과 동시에 그 증폭도는로 설정되는 완전 차동 증폭기와; 상기 완전 차동 증폭기의 출력 신호 스윙의 중간값을 감지하여 일정한 DC 전압을 출력하여 연산 증폭기 전체를 안정화시키기 위한 공통 모드 귀환 회로와; 상기 스위치드 커패시터 적분기 각각의 동기신호를 발생시키는 래치 비교기; 및 상기 래치 비교기에서 발생되는 클럭의 글리치를 줄이고 신호가 안정된 상태에서 샘플링하기 위한 비중첩 클럭 발생기를 구비하여 스위치드 커패시터 적분기의 클럭에 마스터 클럭과 4 분주된 클럭을 사용하여 해상도를 향상시키는 것을 특징으로 하여 음성 신호 대역(0~20 kHz)에서 동작하며, 높은 해상도(>16 bit)를 갖는 시그마 델타(Sigma-Delta) A/D 변환기를 위한 3.3V CMOS 시그마 델타 변조기의 새로운 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a sigma delta modulator, and in particular, to form a sequence of three switched capacitor integrators, 1 MHz in the first integrator, 4 MHz in the second and third integrators as a synchronization signal, but implements the integrator The operational amplifier has a fully differential two-stage structure, and the differential structure improves the DC gain of the op amp by 6 dB, reduces the offset voltage, and at the same time, A fully differential amplifier set to; A common mode feedback circuit for sensing an intermediate value of the output signal swing of the fully differential amplifier and outputting a constant DC voltage to stabilize the entire operational amplifier; A latch comparator for generating a synchronization signal of each of the switched capacitor integrators; And a non-overlapping clock generator for reducing the glitches of the clock generated by the latch comparator and sampling the signal in a stable state to improve the resolution by using a master clock and a clock divided by four for the clock of the switched capacitor integrator. A new structure of a 3.3V CMOS sigma delta modulator for a Sigma-Delta A / D converter with high resolution (> 16 bit), operating in the voice signal band (0 to 20 kHz).

Description

효과적인 클럭속도를 이용한 시그마 델타 변조기{SIGMA-DELTA MODULATOR WITH EFFICIENT CLOCK SPEEDS}Sigma-Delta Modulator with Efficient Clock Speed {SIGMA-DELTA MODULATOR WITH EFFICIENT CLOCK SPEEDS}

본 발명은 음성 신호 대역(0~20 kHz)에서 동작하며, 높은 해상도(>16 bit) 를 갖는 시그마 델타(Sigma-Delta) A/D 변환기를 위한 3.3V CMOS 시그마 델타 변조기에 관한 것으로, 더욱이, 본 발명에서 설계된 구조는 신호 대 잡음비를 향상시키기 위하여 3개의 스위치드 커패시터 적분기(Switched Capacitor Integrator), 비교기, 및 비중첩 클럭 발생기(Non-overlapping clock generator)로 구성되며, 모델링을 통한 커패시터의 용량과 이에 따른 적절한 클럭 사용을 수행하기 위한 시그마 델타 변조기에 관한 것이다.The present invention relates to a 3.3V CMOS sigma delta modulator for a Sigma-Delta A / D converter having a high resolution (> 16 bit) and operating in the voice signal band (0-20 kHz). The structure designed in the present invention consists of three switched capacitor integrators, comparators, and non-overlapping clock generators to improve the signal-to-noise ratio. A sigma delta modulator for performing appropriate clock usage accordingly.

일반적으로 근래 제안되어진 오버샘플링(Oversampling) 방법은 최근 주목받고 있는 ADC/DAC 회로 구현 방법 중의 하나이다.In general, the recently proposed oversampling method is one of the ADC / DAC circuit implementation methods that are recently attracting attention.

상기 오버샘플링 방식은 기본적으로 일반적인 데이터 변환기보다 해상도(Resolution)는 뛰어나지만, 변환 율(Conversion rate)이 떨어지므로 저속 고해상도의 응용 분야에 쓰일 수 있는데, 그 적용 예를 살펴보면 아래의 참조문헌 1 내지 3에서 언급되어 있는 바와 같이 음성 신호처리 분야에 쓰일 수 있으며, 참조문헌 4 내지 6에서 언급되어 있는 바와 같이 디지털 오디오나, 참조문헌 7에서 언급되어 있는 바와 같이 디지털 라디오, 및 참조문헌 8 내지 11에서 언급되어 있는 바와 같이 IF(Intermediate Frequency) 신호 처리에 대한 응용도 가능하다.The oversampling method is basically higher in resolution than a general data converter, but may be used in applications of low resolution and high resolution since conversion rate is low. Referring to Examples 1 to 3 below, It may be used in the field of speech signal processing as mentioned in, and referred to in digital audio as mentioned in references 4 to 6, or in digital radio as mentioned in reference 7, and in references 8 to 11 As can be seen, applications for IF (Intermediate Frequency) signal processing are also possible.

음성 신호처리를 위해서는 로우패스(Lowpass) 시그마 델타(Sigma-Delta) 변조기 구조를 채택하고, IF 신호처리를 위한 구조는 밴드 패스(Bandpass) 형태이다.A lowpass Sigma-Delta modulator structure is adopted for voice signal processing, and the structure for IF signal processing is a bandpass type.

[참조문헌 1][Reference 1]

Jorge Grilo, Edward MacRobbie, Raouf Halim and Gabor Temes, A 1.8V 94dB Dynamic Range Modulator for Voice Applications, ISSCC96, pp. 230-231, Feb., 1996.Jorge Grilo, Edward MacRobbie, Raouf Halim and Gabor Temes, A 1.8V 94dB Dynamic Range Modulator for Voice Applications, ISSCC96, pp. 230-231, Feb., 1996.

[참조문헌 2][Reference 2]

Eric J. van der Zwan and E.Carel Dijkmans, A 0.2mW CMOS Modulator for Speech Coding with 80dB Dynamic Range, ISSCC96, pp.232-233, Feb., 1996.Eric J. van der Zwan and E. Carel Dijkmans, A 0.2mW CMOS Modulator for Speech Coding with 80dB Dynamic Range, ISSCC96, pp.232-233, Feb., 1996.

[참조문헌 3][Reference 3]

Jiri Nedved, Jozef Vanneuville, Dorine Gevaert and Jan Stvenhans, A Transistor-Only Switched Current Sigma-Delta A/D Converter for a CMOS Speech CODEC, IEEE J,Solid-State Circuits, vol 30, pp 819-822, July 1995.Jiri Nedved, Jozef Vanneuville, Dorine Gevaert and Jan Stvenhans, A Transistor-Only Switched Current Sigma-Delta A / D Converter for a CMOS Speech CODEC, IEEE J, Solid-State Circuits, vol 30, pp 819-822, July 1995.

[참조문헌 4]Ref. 4

Shahriar Rabii and Bruce A. Wooley, A 1.8V Digital-Audio Sigma-Delta Modulator in 0.8um CMOS, IEEE J,Solid-State Circuits, vol 32, pp 783-795, June 1997.Shahriar Rabii and Bruce A. Wooley, A 1.8V Digital-Audio Sigma-Delta Modulator in 0.8um CMOS, IEEE J, Solid-State Circuits, vol 32, pp 783-795, June 1997.

[참조문헌 5]Ref. 5

Ka Y.Leung, Eric J.Swanson, kafai Leung and Sarah S.Zhu, A 5V 118dB Analog-to Digital Converter for Wideband Digital Audio, ISSCC97, pp.218-219, Feb., 1997.Ka Y. Leung, Eric J. Swanson, kafai Leung and Sarah S. Zhu, A 5V 118dB Analog-to Digital Converter for Wideband Digital Audio, ISSCC97, pp. 218-219, Feb., 1997.

[참조문헌 6]Ref. 6

Tapani Ritoniemi, Eero Pajarre and Ville Eerola, A Stereo Audio Sigma-Delta A/D-Converter, IEEE J,Solid-State Circuits, vol 29, pp 1514-1521, Dec. 1994.Tapani Ritoniemi, Eero Pajarre and Ville Eerola, A Stereo Audio Sigma-Delta A / D-Converter, IEEE J, Solid-State Circuits, vol 29, pp 1514-1521, Dec. 1994.

[참조문헌 7]Ref. 7

Stephen Jantzi, Kenntth Martin and Adel Sedra, A Quadrature Bandpass Modulator for Digital Radio, ISSCC97, pp.216-217, Feb., 1997.Stephen Jantzi, Kenntth Martin and Adel Sedra, A Quadrature Bandpass Modulator for Digital Radio, ISSCC97, pp. 216-217, Feb., 1997.

[참조문헌 8][Reference 8]

Adrian K.Ong and Bruce A.Wooley, A Two-Path Bandpass Modulator for Digital IF Extraction at 20MHz, IEEE J,Solid-State Circuits, vol 32, pp 1920-1934, Dec. 1997.Adrian K. Ang and Bruce A. Wooley, A Two-Path Bandpass Modulator for Digital IF Extraction at 20 MHz, IEEE J, Solid-State Circuits, vol 32, pp 1920-1934, Dec. 1997.

[참조문헌 9]Ref. 9

feng Chen and Bosco Leung, A 0.25mW Low-Pass Passive Sigma-Delta Modulator with Built-In Mixer for a 10-MHz IF Input , IEEE J,Solid- State Circuits, vol 32, pp 774-782, June 1997.feng Chen and Bosco Leung, A 0.25mW Low-Pass Passive Sigma-Delta Modulator with Built-In Mixer for a 10-MHz IF Input, IEEE J, Solid-State Circuits, vol 32, pp 774-782, June 1997.

[참조문헌 10]Ref. 10

Gopal Raghvan, Joseph F.Jensen, Robert H. Walden and William P. Posey, A Bandpass Modulator with 92dB SNR and Center Frequency Continuously Programmable from 0 to 70MHz, ISSCC97, pp.214-215, Feb., 1997.Gopal Raghvan, Joseph F. Jensen, Robert H. Walden and William P. Posey, A Bandpass Modulator with 92 dB SNR and Center Frequency Continuously Programmable from 0 to 70 MHz, ISSCC97, pp. 214-215, Feb., 1997.

[참조문헌 11]Ref. 11

Bang-Sup Song, A Fourth-Order Bandpass Delta-Sigma Modulator with Reduced Number of Op Amps, IEEE J,Solid-State Circuits, vol 30, pp 1309-1314, Dec. 1995.Bang-Sup Song, A Fourth-Order Bandpass Delta-Sigma Modulator with Reduced Number of Op Amps, IEEE J, Solid-State Circuits, vol 30, pp 1309-1314, Dec. 1995.

상술한 참조문헌들에 나타나 있는 기술들은 종전에 언급한 바와 같이 오버샘플링 방식이 기본적으로 일반적인 데이터 변환기보다 해상도(Resolution)는 뛰어나지만, 변환 율(Conversion rate)이 떨어진다는 한계성을 극복하였다기 보다는 그 한계성을 유지한체로 상업기술에 어떤 방식으로 적용할 것인지에 초점이 맞추어져 있는 것이다. 더욱이, 데이터 변환기의 수요는 최근 정보 통신 분야에서 매우 증대되고 있다. 특히 멀티미디어 시대를 맞이하여 고 집적화된 음성신호처리 회로를 더욱 절실히 필요로 한다.The techniques presented in the above-mentioned references, as mentioned previously, do not overcome the limitation that the oversampling method is basically higher resolution than the general data converter, but the conversion rate falls. With the limitations in place, the focus is on how to apply them to commercial technology. Moreover, the demand for data converters is increasing greatly in the field of information and communication in recent years. Especially in the age of multimedia, there is an urgent need for highly integrated voice signal processing circuits.

그러므로 전술한 오버샘플링(Oversampling) 방법의 하드웨어적인 구현방식으로 사용되는 시그마 델타 변조기의 구조는 변환율의 저조성에 의해 신호대 잡음비와 변환속도가 떨어지므로 해상도가 높다는 장점을 이용하는데 한계가 있고 그와 관련한 문제점 해결을 위한 방식이 아직까지 제안되지 못하고 있는 실정이다.Therefore, the structure of the sigma delta modulator used as the hardware implementation of the oversampling method described above has a limitation in utilizing the advantage of high resolution because the signal-to-noise ratio and the conversion speed are lowered due to the low conversion rate. A method for solving the problem has not been proposed yet.

따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 기본적인 시그마 델타 변조기의 구조를 채택하면서도, 신호대 잡음비와 변환속도를 향상시킬 수 있는 시그마 델타 변조기를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a sigma delta modulator capable of improving the signal-to-noise ratio and the conversion speed while adopting a basic sigma delta modulator structure.

또한 본 발명의 다른 목적은 스위치드 커패시터 적분기에 사용되는 클럭을 최적화하며, 추가적인 회로를 필요로 하지 않아 전력소모나 칩 면적에 영향을 주지 않는 시그마 델타 변조기를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a sigma delta modulator that optimizes the clock used in a switched capacitor integrator and does not require additional circuitry and thus does not affect power consumption or chip area.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터 적분기의 클럭에 마스터 클럭과 4 분주된 클럭을 사용하여 해상도를 향상시킨 시그마 델타 변조기 전체 동작원리를 나타내는 회로 예시도.1 is a circuit diagram illustrating the overall operation principle of a sigma delta modulator with improved resolution by using a master clock and a clock divided by four in a clock of a switched capacitor integrator according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변조기에 사용되는 완전 차동 증폭기의 회로도.2 is a circuit diagram of a fully differential amplifier used in a modulator in accordance with an embodiment of the present invention.

도 3은 동상 모드 귀환 회로의 회로도.3 is a circuit diagram of an in-phase mode feedback circuit.

도 4는 동기시키는 클럭을 갖는 래치 비교기의 회로도.4 is a circuit diagram of a latch comparator having a clock to synchronize with.

도 5는 비중첩 클럭 발생기의 회로도.5 is a circuit diagram of a non-overlapping clock generator.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 시그마 델타 변조기에 있어서, 순차적으로 세 개의 스위치드 커패시터 적분기를 나열 형성하고, 제 1적분기에는 1 MHz, 제 2와 제 3적분기에는 4 MHz를 동기신호로 사용하되, 상기 적분기를 구현하는 연산증폭기는 완전 차동 2단 구조를 갖으며, 차동 구조는 연산 증폭기의 DC 이득을 6 dB 향상시키고, 오프셋 전압을 줄일 수 있음과 동시에 그 증폭도는로 설정되는 완전 차동 증폭기와; 상기 완전 차동 증폭기의 출력 신호 스윙의 중간값을 감지하여 일정한 DC 전압을 출력하여 연산 증폭기 전체를 안정화시키기 위한 공통 모드 귀환 회로와; 상기 스위치드 커패시터 적분기 각각의 동기신호를 발생시키는 래치 비교기; 및 상기 래치 비교기에서 발생되는 클럭의 글리치를 줄이고 신호가 안정된 상태에서 샘플링하기 위한 비중첩 클럭 발생기를 구비하여 스위치드 커패시터 적분기의 클럭에 마스터 클럭과 4 분주된 클럭을 사용하여 해상도를 향상시키는 데 있다.In order to achieve the above object of the present invention, a feature of the present invention is to sequentially form three switched capacitor integrators in a sigma delta modulator, 1 MHz for the first integrator, and 4 MHz for the second and third integrators. It is used as a synchronization signal, but the op amp implements the integrator has a fully differential two-stage structure, the differential structure can improve the DC gain of the op amp by 6 dB, reduce the offset voltage and at the same time the amplification degree A fully differential amplifier set to; A common mode feedback circuit for sensing an intermediate value of the output signal swing of the fully differential amplifier and outputting a constant DC voltage to stabilize the entire operational amplifier; A latch comparator for generating a synchronization signal of each of the switched capacitor integrators; And a non-overlapping clock generator for reducing the glitches of the clock generated by the latch comparator and sampling the signal in a stable state to improve the resolution by using a master clock and a clock divided by four for the clock of the switched capacitor integrator.

이하, 본 발명의 실시예를 참조된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터 적분기의 클럭에 마스터 클럭과 4 분주된 클럭을 사용하여 해상도를 향상시킨 시그마 델타 변조기 전체 동작원리를 나타내는 회로 예시도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변조기에 사용되는 완전 차동 증폭기의 회로도이고, 도 3은 동상 모드 귀환 회로의 회로도이며, 도 4는 동기시키는 클럭을 갖는 래치 비교기의 회로도이고, 도 5는 비중첩 클럭 발생기의 회로도이다.FIG. 1 is a circuit diagram showing the overall operation principle of a sigma delta modulator with improved resolution by using a clock divided by a master clock and a clock divided by a clock of a switched capacitor integrator according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a circuit diagram of an in-phase mode feedback circuit, FIG. 4 is a circuit diagram of a latch comparator having a clock to synchronize, and FIG. 5 is a circuit diagram of a non-overlapping clock generator.

첨부한 도 1에 도시되어 있는 본 발명의 회로는 음성 신호 대역(0~20 kHz)에서 동작하며, 높은 해상도(>16 bit) 를 갖는 시그마 델타(Sigma-Delta) A/D 변환기를 위한 3.3V CMOS 시그마 델타 변조기의 새로운 구조이다. 즉, 도 1에 도시되어 있는 설계 구조는 3개의 스위치드 커패시터 적분기(Switched Capacitor Integrator)와 비교기 그리고, 비중첩 클럭 발생기(Non-overlapping clock generator)로 구성되며, 모델링을 통한 커패시터의 용량과 이에 따른 적절한 클럭 속도의 결정이 필요하며, 적분기(1∼3)의 스위치에 사용하는 클럭을 적분기의 적분 커패시터의 용량에 맞게 최적화하였다.The circuit of the present invention shown in FIG. 1 is operated in the voice signal band (0 to 20 kHz) and is 3.3V for a Sigma-Delta A / D converter with high resolution (> 16 bit). CMOS Sigma Delta Modulator is a new structure. That is, the design structure shown in FIG. 1 consists of three switched capacitor integrators, a comparator, and a non-overlapping clock generator. The clock speed needs to be determined, and the clock used for the switches of the integrators (1 to 3) is optimized for the capacity of the integrating capacitor of the integrator.

첫 번째 적분기(1)에는 1 MHz, 두 번째와 세 번째 적분기(2, 3)에는 4 MHz를 사용하여 신호 처리 속도를 향상시키는 구조이다. 또한 불필요하게 생긴 영점의 특성을 상쇄시키기 위하여 극점값의 도출이 필요하다. 상기 제 1내지 제 3 적분기(1∼3)에 사용되는 연산증폭기는 3.3V 공급전원에서 40 dB 이상의 DC 이득과 양호한 주파수 특성 및 5mW 이내의 전력소모를 나타내며, 회로의 대칭과 증폭도를 향상시키기 위하여 완전 차동(Fully differential) 구조로 설계한다. 또한, 첨부한 도 2에 도시되어 있는 완전 차동 증폭기의 출력을 안정화시키기 위하여 공통 모드 귀환 회로(Common Mode Feedback circuit)가 필연적으로 필요하며, Vcmfb 전압의 변이는 20mV 이내를 요구한다.The signal processing speed is improved by using 1 MHz for the first integrator (1) and 4 MHz for the second and third integrators (2, 3). In addition, it is necessary to derive the pole value in order to offset the unnecessary zero characteristic. The operational amplifiers used in the first to third integrators 1 to 3 exhibit a DC gain of 40 dB or more, a good frequency characteristic, and power consumption within 5 mW at a 3.3 V supply, to improve the symmetry and amplification of the circuit. Design in a fully differential structure. Also, in order to stabilize the output of the fully differential amplifier shown in FIG. 2, a common mode feedback circuit is inevitably required, and the variation of the Vcmfb voltage requires less than 20 mV.

전압 비교기는 1mV 차이를 비교할 수 있는 회로가 필요하며, 비 중첩회로의 비중첩 시간은 2nS를 유지하도록 해야한다. 그리고, 제안회로는 단일 3.3V 공급전원을 갖으며 전체의 전력소모는 20mW 이내이다.The voltage comparator needs a circuit that can compare the 1mV difference, and the non-overlapping time of the non-overlapping circuit must maintain 2nS. The proposed circuit has a single 3.3V supply and the total power consumption is less than 20mW.

이하 첨부한 도 2에 도시되어 있는 스위치드 커패시터 적분기를 위한 완전차동 연산 증폭기를 살펴보면, 스위치드 커패시터 적분기에 사용되는 연산증폭기는 완전 차동 2단 구조를 갖는다. 차동 구조는 연산 증폭기의 DC 이득을 6 dB 향상시키며, 오프셋 전압을 줄일 수 있는 구조이므로 높은 해상도를 필요로 하는 시그마 델타 변조기에 적합하다. 상기 연산증폭기의 증폭도는 아래의 수학식 1과 같이 정의할 수 잇다.Referring to the fully differential operational amplifier for the switched capacitor integrator shown in Figure 2 below, the operational amplifier used in the switched capacitor integrator has a fully differential two-stage structure. The differential scheme improves the op amp's DC gain by 6 dB and reduces the offset voltage, making it suitable for sigma delta modulators that require high resolution. The amplification degree of the operational amplifier can be defined as Equation 1 below.

스위치드 커패시터 적분기에 사용되는 연산증폭기의 요구 사양 및 모의 실험 결과는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.The requirements and simulation results of the operational amplifier used in the switched capacitor integrator are shown in Table 1 below.

연산 증폭기Operational amplifier 사양Specification 제1단연산증폭기1st stage operational amplifier DC 이득 ( >40 dB)슬루율 (>3.3V/us)위상여유차단 주파수오프셋 전압공급전압(3.3V)전력소모DC gain (> 40 dB) Slew rate (> 3.3 V / us) Phase margin cutoff Frequency offset Voltage supply voltage (3.3 V) Power consumption 제2,3단연산증폭기2nd and 3rd stage operational amplifier DC 이득 ( >40 dB)슬루율 (>13.2V/us)위상여유차단 주파수오프셋 전압공급전압(3.3V)전력소모DC gain (> 40 dB) Slew rate (> 13.2 V / us) Phase margin cutoff Frequency offset Voltage supply voltage (3.3 V) Power consumption

상기 표 1에 나타나 있는 스위치드 커패시터 적분기에 사용되는 연산증폭기의 요구 사양 및 모의 실험 결과에 대응하여 상기 수학식 1을 재 정의하면 아래의 수학식 2와 수학식 3과 같이 정의할 수 있다.In response to the requirements and simulation results of the operational amplifier used in the switched capacitor integrator shown in Table 1, Equation 1 may be redefined as Equation 2 and Equation 3 below.

이때, 상기 스위치드 커패시터 적분기에 사용되는 클럭은 1 MHz와 4 MHz 이다. 따라서 구동에 필요한 슬루율(Slew Rate)은 아래의 수학식 4와 수학식 5와 같이 구해진다.At this time, the clocks used in the switched capacitor integrator are 1 MHz and 4 MHz. Therefore, the slew rate required for driving is obtained as in Equations 4 and 5 below.

또한, 이때의 보상 커패시터 값은 상기 수학식 4와 5로 표현되는 슬루율로부터 아래의 수학식 6으로 구해진다.In addition, the compensation capacitor value at this time is obtained from Equation 6 below from the slew rates represented by Equations 4 and 5.

첨부한 도 3에 도시되어 있는 공통 모드 귀환 회로(Common Mode Feed Back Circuit; 이하, CMFB회로라 함)는 완전 차동 연산 증폭기에 필요한 부가회로이다.즉, 상기 CMFB회로는 연산 증폭기 출력 신호 스윙의 중간값을 감지하여, 일정한 DC 전압을 출력하여 연산 증폭기 전체를 안정시키는 역할을 한다.A common mode feed back circuit (hereinafter referred to as a CMFB circuit) shown in FIG. 3 is an additional circuit required for a fully differential operational amplifier. That is, the CMFB circuit is an intermediate part of an operational amplifier output signal swing. It senses the value and outputs a constant DC voltage to stabilize the entire op amp.

이때, 상기 CMFB회로를 구현 방법은 다양하다. 본 발명에 따른 제안하는 회로는 트랜지스터의 개수와 전력소모를 줄이기 위하여 첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 구조를 택하였다.At this time, the implementation method of the CMFB circuit is various. The proposed circuit according to the present invention has a structure as shown in FIG. 3 to reduce the number of transistors and power consumption.

Vout+와 Vout-가 Vcm +vout+/-로 스윙한다고 가정하자. 차동쌍에 흐르는 전류의 합은 각각 11uA이므로, Vcmfb 전압값은 변하지 않는다. 즉, 전류를 공급(Sourcing)하지 않아도 된다. 그러나, 만약 Vout+와 Vout- 가 Vcm + ΔV+vout+/-로 스윙할 경우 ΔV 에 의해 생기는 전류Δi를 공급하기 위하여 Vcmfb 전압은 변하게 된다. Vcmfb 전압의 변동은 연산 증폭기의 전류원을 변화시키므로 증폭기의 출력노드의 동작점을 -ΔV 만큼 변화시켜 출력신호를 안정화시킨다.Suppose Vout + and Vout- swing with Vcm + vout +/- . Since the sum of the currents flowing through the differential pairs is 11uA each, the Vcmfb voltage value does not change. That is, it is not necessary to supply current. However, if Vout + and Vout- swing at Vcm + ΔV + vout +/- , the Vcmfb voltage is changed to supply the current Δi generated by ΔV. Since the Vcmfb voltage changes the current source of the op amp, the operating point of the output node of the amplifier is changed by -ΔV to stabilize the output signal.

상기 CMFB 회로를 설계하기 위해서는 먼저 Vcmfb 전압을 결정해야 한다. 보통, 차동단의 꼬리전류의 게이트 전압으로 사용하거나, 출력단의 능동 부하의 게이트 전압으로 사용한다. 제안 회로는 증폭기의 능동 부하의 게이트 전압으로 사용하기 위하여 Vcmfb = 2V로 설계하였다. Vcm 값은 연산 증폭기 출력단의 동작(Operating Point)전압이다. 만약, 증폭기가 50mV의 옵셋을 갖는다면, Vcm 값도 50mV의 옵셋 전압값을 갖아야한다. 제안 회로에는 연산 증폭기의 모의 실험 결과 수 mV 이내의 옵셋 전압을 갖으므로 Vcm = Vcc/2 = 1.65V 를 사용하였다.In order to design the CMFB circuit, it is necessary to first determine the Vcmfb voltage. Usually, it is used as the gate voltage of the tail current of the differential stage or as the gate voltage of the active load of the output stage. The proposed circuit is designed with Vcmfb = 2V to use as gate voltage of active load of amplifier. The Vcm value is the operating point voltage of the op amp output stage. If the amplifier has an offset of 50mV, the Vcm value should also have an offset voltage of 50mV. In the proposed circuit, Vcm = Vcc / 2 = 1.65V was used because the simulation result of the operational amplifier has an offset voltage within several mV.

또한, 시그마 델타 변조기는 비교기의 성능에 둔감한 회로이다. 따라서, 변조기에 사용되는 비교기는 비교 성능보다는 전력소모와 칩면적을 줄이는 것이 더중요하다. 본 발명에 사용되는 변조기는 래치 비교기로써 별도의 래치회로를 필요로 하지 않는 장점이 있다.Sigma delta modulators are also insensitive to the performance of comparators. Therefore, comparators used in modulators are more important to reduce power consumption and chip area than comparable performance. The modulator used in the present invention has the advantage of not requiring a separate latch circuit as a latch comparator.

따라서, 본 발명에 따른 비교기는 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 구성되고, 전력소모는 0.1 mW 이며, 최소 비교 전압은 1mV 이하이다. 참조번호 mn4와 mn5와 같이 게이트를 서로의 드레인과 결선되어 있어 입력 전압에 더욱 민감하다. 클럭이 로우일 때 비교되고, 하이상태일 때 모든 전류가 참조번호 mn3쪽으로 흐르게 되어 Vout+/- 는 0가 된다. 따라서, 별도의 래치회로가 필요 없게 된다.Therefore, the comparator according to the present invention is constructed as shown in FIG. 4, the power consumption is 0.1 mW, and the minimum comparison voltage is 1 mV or less. As the reference numbers mn4 and mn5 are connected to the drain of each other, the gate is more sensitive to the input voltage. When the clock is low, it is compared. When it is high, all current flows to the reference number mn3, and Vout +/- becomes zero. Therefore, no separate latch circuit is needed.

본 발명에서 클럭은 전체 회로도에서 Φ3을 의미한다.In the present invention, the clock means Φ 3 in the overall circuit diagram.

마지막으로, 본 발명에서 사용되는 비 중첩 회로는 첨부한 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 구성되고, 스위치드 커패시터 회로에서 중요한 부분 중에 하나인 비중첩 회로는 클럭의 글리치를 줄이고, 신호가 안정된 상태에서 샘플링하기위해 필요하다.Finally, the non-overlapping circuit used in the present invention is constructed as shown in the accompanying FIG. 5, and the non-overlapping circuit, which is one of the important parts of the switched capacitor circuit, reduces the glitches of the clock and samples the signal in a stable state. To do that.

일반적인 구조의 비중첩 클럭 발생기의 비중첩 시간은 2~5 nsec. 이다.The non-overlapping time of the general non-overlapping clock generator is 2 ~ 5 nsec. to be.

실험 결과 비중첩 시간은 약 2ns 이고, 지연시간은 3ns 정도이다.The experimental results show that the nonoverlapping time is about 2ns and the delay time is about 3ns.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 다양하게 변형 실시될 수 있다.The present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified and implemented by those skilled in the art without departing from the technical gist of the present invention.

상술한 바와 같이 구성 및 동작하는 본 발명에 의한 시그마 델타 변조기를제공하면, 회로의 모델링과 적절한 커패시터 용량의 결정으로부터 스위치드 커패시터 적분기의 클럭 속도를 향상시킬 수 있었으며, 모델링을 이용한 극점의 도출로부터 관심 대역 밖에 존재하는 영점의 효과를 상쇄할 수 있었다. 또한 내부 ADC 및 DAC의 유효 비트를 증가 시킬수록 신호 대 잡음비가 증가한다.Providing the sigma delta modulator according to the present invention configured and operated as described above, the clock speed of the switched capacitor integrator can be improved by modeling the circuit and determining the appropriate capacitor capacity, and the band of interest from the derivation of the pole using modeling. It was possible to offset the effect of the zero point existing outside. In addition, as the effective bits of the internal ADCs and DACs increase, the signal-to-noise ratio increases.

위와 같은 회로와 데시메이션 필터(Decimation Filter)의 설계를 통하여 완전한 ADC의 구현이 가능하다. 디지털 필터의 구현은 VHDL을 이용하여 PLD(Programmable Logic Device)로 구현하거나 Synopsys 툴을 이용한 셀 라이브러리(Cell Library)로 ASIC 칩으로 온 칩(On Chip)화 할 수 있을 것이다.Through the above circuit and design of the decimation filter, a complete ADC can be realized. The implementation of the digital filter may be implemented as a programmable logic device (PLD) using VHDL or an on-chip as an ASIC chip as a cell library using a Synopsys tool.

제안하는 변조기 구조를 이용한 시그마 델타A/D 변환기는 디지털 오디오나 디지털 라디오 및 IF 신호 처리에 효과적으로 이용할 수 있다.The sigma delta A / D converter using the proposed modulator structure can be effectively used for digital audio, digital radio and IF signal processing.

Claims (1)

시그마 델타 변조기에 있어서,In the sigma delta modulator, 순차적으로 세 개의 스위치드 커패시터 적분기를 나열 형성하고, 제 1적분기에는 1 MHz, 제 2와 제 3적분기에는 4 MHz를 동기신호로 사용하되, 상기 적분기를 구현하는 연산증폭기는 완전 차동 2단 구조를 갖으며, 차동 구조는 연산 증폭기의 DC 이득을 6 dB 향상시키고, 오프셋 전압을 줄일 수 있음과 동시에 그 증폭도는로 설정되는 완전 차동 증폭기와;Three switched capacitor integrators are sequentially formed, and 1 MHz is used for the first integrator and 4 MHz is used for the second and third integrators as a synchronization signal. The differential scheme improves the op amp's DC gain by 6 dB, reduces the offset voltage, and increases its amplification. A fully differential amplifier set to; 상기 완전 차동 증폭기의 출력 신호 스윙의 중간값을 감지하여 일정한 DC 전압을 출력하여 연산 증폭기 전체를 안정화시키기 위한 공통 모드 귀환 회로와;A common mode feedback circuit for sensing an intermediate value of the output signal swing of the fully differential amplifier and outputting a constant DC voltage to stabilize the entire operational amplifier; 상기 스위치드 커패시터 적분기 각각의 동기신호를 발생시키는 래치 비교기; 및A latch comparator for generating a synchronization signal of each of the switched capacitor integrators; And 상기 래치 비교기에서 발생되는 클럭의 글리치를 줄이고 신호가 안정된 상태에서 샘플링하기 위한 비중첩 클럭 발생기를 구비하여 스위치드 커패시터 적분기의 클럭에 마스터 클럭과 4 분주된 클럭을 사용하여 해상도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 시그마 델타 변조기.A non-overlapping clock generator for reducing the glitches of the clock generated by the latch comparator and sampling the signal in a stable state improves the resolution by using a master clock and a clock divided by four for the clock of the switched capacitor integrator. Sigma Delta Modulator.
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