用于Delta-Sigma调制的电流域模拟积分电路

本发明属于模拟集成电路，具体涉及一种用于低电源电压连续时间delta-sigma调制器的电流域模拟积分电路。

背景技术：

1、在现代电子系统中，模数转换器发挥着至关重要的作用，连续变化的模拟信息(如声音、微波、生物电等)需要模数转换器(analog-to-digital converter，adc)转化为数字信号从而被数字设备处理和分析。因此，模数转换器在现代电子系统中变得不可或缺，尤其是音频处理、无线通信、生物医疗等高精度信号采集领域。

2、在众多adc技术中，连续时间delta-sigma调制器尤其受到关注，该技术利用delta-sigma调制方法，通过一个或多个连续时间积分器、一个量化器以及一个反馈回路来工作。首先，连续时间delta-sigma调制器将模拟输入信号进行连续积分，积分后的信号传送至一个低比特量化器(通常为1比特或2比特)，此时模拟信号被转换为数字信号；量化后的数字输出通过一个数字-模拟转换器反馈，并与原始输入信号相减形成一个差信号，这个差信号再次被送回积分器，形成一个闭环系统；通过这种反馈机制，调制器将量化噪声推至高频区域，而在感兴趣的低频区域保留信号细节；最后，数字输出信号通过一个数字低通滤波器以滤除高频噪声，并进行下采样以降低数据率，从而产生高精度的数字输出。

3、传统的连续时间delta-sigma调制器通常基于电压域的操作，然而在低电压和低功耗的应用场景中，电压域积分器面临众多挑战。首先，在低电源电压下，可用的信号摆幅会随着减小，这直接影响到系统的动态范围；同时，相对于信号摆幅，电源噪声所占比例变大，这会增加系统的噪声底，导致信号完整性问题，并且低电压操作会影响到连续时间积分器的线性度从而对整个系统的稳定性和线性度产生影响。

4、对于低电源电压的应用场景中，目前有两种主流的连续时间delta-sigma调制器设计方法，第一种方法侧重于电路和环路传递函数的电压域优化，此方法通过改善环路的反馈和前馈机制，旨在降低积分器输出的摆幅压力，同时通过精细的电路设计来增加电压积分器的摆幅和线性度，以此提高系统的整体稳定性和线性响应。在系统层次，采用高效的电源管理系统并对电源电压进行滤波，可以有效地减轻电源噪声对系统性能的影响，这种设计方法涉及复杂的环路配置，需要综合考虑噪声整形效果、系统稳定性、数字-模拟转换器的反馈机制、前馈策略以及积分器的输出摆幅等多种因素。在电路设计层次，积分器的设计需要在增益、输出摆幅、噪声和功耗等多个性能指标之间找到最佳平衡，这种高度复杂的设计往往导致芯片面积的增加。

5、第二种设计方法是基于时间域的连续时间delta-sigma调制器，通常这种设计采用电压控制振荡器作为时间域积分器，此类积分器通过将输入信号转换成相应的频率，利用电压控制振荡器的频率控制特性实现积分功能；这种积分器的输出摆幅不受电源电压影响，同时使得系统中模拟部分减少和数字部分增多，系统的数字部分在功耗和芯片面积上能够受益于工艺节点的进步。然而，电压控制振荡器积分器的线性度天然较差，需要通过设计优化的环路函数来降低积分器输入端的幅值；此外，在一些对输入阻抗有特殊需求的应用场景中，由于需要采用斩波技术和输入电容，这种设计方法表现不佳。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种用于低电源电压连续时间delta-sigma调制器的电流域模拟积分电路，通过在电流域内实现积分，能够有效规避低电源电压对连续时间delta-sigma调制器设计带来的挑战。

2、一种用于低电源电压连续时间delta-sigma调制器的电流域模拟积分电路，包括差分源极跟随器、差分有源电感以及电流比例复制电路，其中差分源极跟随器把输入电压信号传输至差分有源电感两端，差分有源电感在一定频率上呈现电感阻抗特性，利用流经该电感的电流对输入电压信号在电流域内进行积分，电流比例复制电路将得到的积分电流按比例复制输出提供给连续时间delta-sigma调制器中的下一级功能电路。

3、进一步地，所述差分源极跟随器包括4个pmos管m1~m4以及2个nmos管m5~m6，其中m1的源极与m2的源极相连并接电源电压vdd，m1的漏极与m3的源极、m1的栅极以及差分有源电感的一端相连并作为跟随器的正相电压输出端，m2的漏极与m4的源极、m2的栅极以及差分有源电感的另一端相连并作为跟随器的反相电压输出端，m3的栅极作为跟随器的正相电压输入端，m4的栅极作为跟随器的反相电压输入端，m3的漏极与m5的漏极相连，m4的漏极与m6的漏极相连，m5的栅极与m6的栅极相连并接外部偏置电压vbn1，m5的源极与m6的源极相连并接地；该跟随器输入端mos管栅极的寄生电容能够给系统提供高输入阻抗。

4、进一步地，所述差分源极跟随器带有负反馈环路，负反馈环路用于将积分电流以电压的形式输出给电流比例复制电路，同时为差分源极跟随器提供共模反馈使跟随器中的mos管工作状态稳定在饱和区。

5、进一步地，所述差分源极跟随器包括8个pmos管m1~m4、m7~m10以及2个nmos管m5~m6，其中m1的源极与m7的源极、m8的源极以及m2的源极相连并接电源电压vdd，m1的漏极与m3的源极以及差分有源电感的一端相连，m1的栅极与m7的漏极以及m9的源极相连并作为跟随器的正相电压输出端，m2的漏极与m4的源极以及差分有源电感的另一端相连，m2的栅极与m8的漏极以及m10的源极相连并作为跟随器的反相电压输出端，m7的栅极与m8的栅极相连并接外部偏置电压vbp1，m3的栅极作为跟随器的正相电压输入端，m4的栅极作为跟随器的反相电压输入端，m3的漏极与m5的漏极以及m9的栅极相连，m4的漏极与m6的漏极以及m10的栅极相连，m5的栅极与m6的栅极相连并接外部偏置电压vbn1，m5的源极与m6的源极、m9的漏极以及m10的漏极相连并接地；pmos管m7~m10组成了负反馈环路。

6、进一步地，所述差分有源电感包括2个电容c1~c2、2个电阻r1~r2、4个pmos管m13~m14、m17~m18以及9个nmos管m15~m16、m19~m25，其中m17的源极与m18的源极、m13的源极、m14的源极、m21的漏极以及m22的漏极相连并接电源电压vdd，m17的栅极与m18的栅极相连并接外部偏置电压vbp2，m17的漏极与c1的一端、m19的漏极、m13的栅极以及m21的栅极相连，m18的漏极与c2的一端、m20的漏极、m14的栅极以及m22的栅极相连，m13的漏极作为差分有源电感的一端与m19的栅极、m15的漏极以及m1的漏极相连，m14的漏极作为差分有源电感的另一端与m20的栅极、m16的漏极以及m2的漏极相连，m15的栅极与m16的栅极相连并接外部偏置电压vbn2，m15的源极与m16的源极、c1的另一端、c2的另一端、m23的源极、m24的源极以及m25的源极相连并接地，m19的源极与m20的源极以及m25的漏极相连，m21的源极与r1的一端以及m23的漏极相连，m22的源极与r2的一端以及m24的漏极相连，r1的另一端与r2的另一端以及m25的栅极相连，m23的栅极与m24的栅极相连并接外部偏置电压vbn3；该电路利用晶体管、电容和电阻以小面积实现了大感值的电感器，使传输到其两端的输入电压信号流过电路本身，从而实现电流积分功能。

7、进一步地，所述电流比例复制电路包括两个pmos管m11~m12，其中m11的源极与m12的源极相连并接电源电压vdd，m11的栅极接差分源极跟随器的反相电压输出端，m12的栅极接差分源极跟随器的正相电压输出端，m11的漏极作为电流比例复制电路的反相电流输出端，m12的漏极作为电流比例复制电路的正相电流输出端。

8、本发明电流域模拟积分电路采用差分源极跟随器将输入电压信号传输至差分有源电感两端，然后利用差分有源电感在频率上的阻抗特性，使流过电感的电流对输入电压进行积分，最后利用负反馈环路和mos管饱和区特性稳定差分源极跟随器直流工作点并将积分电流成比例复制到输出级。

9、本发明在电流域内完成积分处理，实现了在1v电源电压下以低噪声水平(噪底68nv/√hz)高输入阻抗(在50hz频率3gω输入阻抗下)完成大频带(100hz~100khz)的电流积分效果，有效解决了低电源电压对连续时间delta-sigma调制器设计的挑战。