CN101473541A - 无丢码的模数转换器系统和方法 - Google Patents

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CN101473541A CNA2007800225183A CN200780022518A CN101473541A CN 101473541 A CN101473541 A CN 101473541A CN A2007800225183 A CNA2007800225183 A CN A2007800225183A CN 200780022518 A CN200780022518 A CN 200780022518A CN 101473541 A CN101473541 A CN 101473541A
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Abstract

通过下面步骤能够获得从SAR，流水线型，折叠，闪烁模数转换的无丢码输出：提供模拟输入到具有预定m位分辨率输出和预定丢码性能的模数转换器，和在数字滤波器中根据m位输出和m位输出的随机噪声分量的高频振动产生n位输出，且优于模数转换器的预定丢码性能。

Description

无丢码的模数转换器系统和方法
技术领域
本发明涉及一种无丢码的模数转换器系统和方法，其用于例如，SAR、流水线型、闪烁型和折叠型模数转换器。
背景技术
在模数转换器(ADC)中，传递函数是码相对于输入电压的函数，其中码是因变量且电压输入是自变量。理想地每个台阶是一个LSB宽。台阶的中心的位置与理想情况的偏差被称作集成非线性(INL)。通常用LSB的分数来表示INL。DNL是连续的台阶的INL之间的差值。理想情况是INL和DNL为零。例如，对于-.2 LSB和+.2LSB的相邻INL，DNL是：
DNL＝INL(N1)-INL(N2)
DNL＝-.2-(+.2)
DNL＝-.4LSB
这意味着台阶是-0.4LSB，小于其应当的值。在-1.0的DNL，将从传递函数丢失码，例如，该传递函数在数字闭环控制系统中是中断的。高度期望不会丢码(NMC)。
在现有的连续逼近寄存器(SAR)ADC中，由于元件值的制造变化出现这些遗漏码的情况。这需要在制造时非常小心的处理和/或校准。可在制造工艺中进行校准，但是一旦在野外，随着时间和温度的正常漂移能够再次引起丢码。由于该因素，很多SAR，流水线型、折叠型、闪烁型ADC目前限于12-16位的精度。对于超出的精度，可以使用∑ΔADC。一位∑ΔADC转换模拟输入为数字输出，然后转换数字输出为模拟信号并将其反馈以和模拟输入相加。模拟输入和模拟反馈中的任何差值导致ADC产生或多或少的数字脉冲。在任意时间的脉冲密度或者速率是模拟输入的数字表示。相同的工作原理应用于多位和更高阶∑ΔADC。∑Δ转换引入了主要在感兴趣的频带外的大量量化噪声。因此使用低通滤波器除去大部分该量化噪声是惯例。通常∑ΔADC相比SAR或者其他ADC需要更大的面积且效率更低。在所有类型的ADC中，过采样(大于两倍信号带宽的采样)具有优点。然而，在许多应用中，由过采样导致的芯片到芯片的高输出速率是不期望的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于SAR，流水线型，闪烁型和折叠型模数转换器的改进的无丢码模数转换器系统和方法。
本发明的另外的目的是提供这种改进的无丢码模数转换器系统和方法，从而提供DNL的显著改进。
本发明的另外的目的是向这种改进的无丢码模数转换器系统和方法提供改进的无丢码性能。
本发明的另外的目的是提供这种改进的无丢码模数转换器系统和方法，其使用集成的芯片上数字滤波器，能够减少芯片到芯片数据速率并同时保持高的内部芯片上采样速率和精度。
本发明的另外的目的是提供这种改进的无丢码模数转换器系统和方法，其能够采用过采样速率来扩展噪声频谱，并随后使用限制频带的滤波器除去带外噪声，从而减少带内误差。
本发明的实现结果是能够实现具有增加、减小或者相同的分辨率的实质上无丢码的模数转换器，其中通过下面步骤来实现该模数转换器：利用比如热噪声的随机噪声或者有意地引入的噪声的高频振动，根据滤波器中抽头(tap)的数目的函数，来驱动作为模数转换器系统的集成部分的数字滤波器来恢复丢失的码，所述有意地引入的噪声例如是来自伪随机噪声发生器的噪声，并且本发明另外实现了也能够增加码的数目，并且呈现为后续且芯片外的组件的系统输出。
然而，在其他实施例中，本发明不必实现所有这些目标，且其权利要求不应该限于能够实现这些目标的结构或者方法。
本发明的特征在于SAR/流水线型/闪烁型/折叠型无丢码模数转换器系统，其包括模数转换器，具有与其LSB相关的显著的随机噪声分量且具有预定丢码性能。存在响应于高频振动提供n位输出的数字滤波器，且优于所述模数转换器的预定丢码性能，其中所述高频振动是由来自所述模数转换器的m位输入的所述随机噪声分量引入的。
在优选实施例中，数字滤波器和模数转换器可以处于单一芯片上，m可以大于n且滤波器可以减少分辨率并恢复丢失的码，m可以等于n且滤波器可以恢复丢失的码，m可以小于n且滤波器可以增加分辨率和恢复丢失的码。数字滤波器可以是低通，带通，高通，阻带，sinc，IIR，和FIR滤波器的组中的之一。可能有用于将来自数字滤波器的输出位分辨率降低到预先选择的低分辨率的截取电路。可能有用于将数字滤波器的无丢码作为系统的输出而输出到芯片外的输出电路。数字滤波器可以包括用于频带限制m位输入的多个抽头。它可以包括用于平均m位输入的多个抽头。该数字滤波器可以根据抽头数目的函数增加字宽。它根据作为抽头数目的函数增加每个连续级中的丢码恢复。随机噪声可以包括显著的热噪声。模数转换器可以包括用于对随机噪声作贡献的随机噪声源。可能有用于选择性地提供多个不同输入给模数转换器，多个数字滤波器以及用于选择性地连接数字滤波器中的一个与模数转换器的第二复用电路。
本发明的特征还在于一种从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，包括向具有预定m位分辨率输出和预定丢码性能的模数转换器提供模拟输出，和传送m位输出到数字滤波器。数字滤波器根据m位输出和m位输出的随机噪声分量的高频振动产生n位输出，并优于模数转换器的预定丢码性能。
在优选实施例中，数字滤波器和模数转换器可以处于单一芯片上，m可以大于n且滤波器可以降低分辨率并恢复丢失的码，m可以等于n且滤波器可以恢复丢失的码，m可以小于n且滤波器可以增加分辨率和恢复丢失的码。来自数字滤波器的输出位分辨率可以被减小到预先选择的低分辨率。数字滤波器可以包括用于频带限制或者平均m位输入的多个抽头。数字滤波器可以根据抽头数目的函数增加字宽，其可以根据抽头数目的函数在每个连续级中增加丢码恢复。随机噪声可以包括显著的热噪声且模数转换器可以包括用于对随机噪声做贡献的随机噪声源。
附图说明
本领域技术人员从以下优选实施例的描述和附图可以想到其他目的，特征和优点，在附图中：
图1是根据本发明的模数转换器系统的简化示意性框图；
图2是使用连续逼近寄存器(SAR)模数转换器的图1的模数转换器(ADC)的一个实现的更详细的示意性框图；
图3示出了图1和2的模数转换器的典型的传递函数；
图4是图1的数字滤波器的一个实现的更详细的视图；
图5是对于概率与接近丢码的码的直方图；
图6是类似于图5的输入略微改变的视图；
图7是未采用本发明的模数转换器系统的INL功能的图解说明；
图8是类似于图7的采用本发明的模数转换器系统的INL功能的视图；
图9是未采用本发明的模数转换器系统的DNL功能的图解说明；
图10是类似于图9的采用本发明的模数转换器系统的DNL功能的视图；且
图11是根据本发明的具有到多个数字滤波器的多路复用输入和多路复用输出的ADC系统；且
图12是根据本发明的方法的框图。
具体实施方式
除了优选实施例或者以下公开的实施例以外，本发明能够具有其他实施例并以多种方式实践或执行。因此，应该理解本发明的应用不限于如下面描述中提出或在所述图中示出的组件的详细结构和设置。如果在这里仅描述一个实施例，此处的权利要求不限于该实施例。此外，不限制性地阅读此处的权利要求，除非存在明确的和令人信服的证据来表明某些例外、限制或权利放弃。
如图1所示，根据本发明的无丢码模数转换器系统10包括模数转换器12和数字滤波器14。在线16上向ADC 12提供模拟输入，其中将ADC 12的数字输出提供给数字滤波器14，该数字滤波器14随后在线18上提供数字输出。根据本发明，外部噪声源20可被应用于ADC 12的输出或者它的输入20’，以与本发明相一致。举例来说，模数转换器可以具有十二或者十三位分辨率和具有90％概率无丢码的预定倾向。根据本发明，可以通过伪随机噪声发生器22间歇地启动源20或者20′。模数转换器12可以包括多个不同种类的模数转换器，例如，连续逼近寄存器(SAR)，流水线型，闪烁型，或者折叠型模数转换器。
在该特定的实施例中，可以以图2的SAR ADC 12a来实现ADC12，该SAR ADC 12a包括采样和保持电路30，比较器32，SAR逻辑电路34和数模转换器(DAC)36。SAR ADC 12a以常规方式工作，即，在输入38接收输入模拟电压Vin并采样及保持该电压，并同时将该电压提供到比较器32的一个输入40。SAR控制逻辑34产生表示中频段的码。该码由DAC 36转换为在比较器32的输入42处传送的模拟电压。比较器32随后提供如下输出到SAR控制逻辑34，该输出表示线42上的DAC电压VDAC大于或者小于在线40上的输入电压。如果小于，则SAR控制逻辑34产生作为在线42上的电压和线46上的电压之间的一半的另一码，且通过DAC 36将该电压提供到线42。SAR ADC 12a继续以这种方式以半步上下地连续逼近线40上的电压。在输出线44上提供该结果作为线38上的输入电压Vin的数字表示。数字滤波器可以是任何适当的类型，例如低通，带通，高通，阻带，sinc，IIR，FIR滤波器。
ADC的传递函数如图3所示，其中码是因变量且电压in是自变量。理想地每个台阶是一个LSB宽。然而，情况不总是这样。由于处理变化，例如，台阶并不总是相等或者被正确设置。台阶的中心位置与理想情况的偏差被称作集成非线性(INL)。通常用LSB的分数来表示INL。在图3中，示出了传递特性50，且每个中心理想地位于台阶Cn0，Cn1，Cn2，Cn3等的中心。然而，能够看到，在小于理想状况时，相比于理想情况其中中心将分别漂移到56和58的情况，台阶N2可以是更宽的52，或者更窄的54。通过使用减和加，漂移的量由LSB的分数和方向表示。连续台阶的INL之间的差值已知为差分非线性或者DNL。INL和DNL理想地是零。也就是说，DNL等于台阶N1的INL减去台阶N2的INL。假定台阶N1的INL是-.2LSB，且台阶N2的INL是+.2LSB，这给出了-.4LSB的DNL。这意味着该台阶是-.4LSB，小于其应当的值。总是考虑负的DNL。对于在-1LSB的DNL，将从传递函数丢失码。例如，在图3中，由于处理缺陷，未出现台阶N5。因此，如果进入Vn1或Vn2或Vn3及以下的电压，则将出现用于该台阶的特定码。然而，进入电压Vn5没有给出这种码，仅存在用于N4的代码。
本发明的结果是能够通过使用与模数转换器相关的随机噪声或高频振动(比如热噪声)来实现具有增加、减小、或者相同分辨率的一种无丢码的模数转换器。如果随机噪声，热噪声或者其他噪声不足，可以有意地引入噪声，例如，使用伪随机噪声发生器。能够通过作为模数转换器系统的集成部分的数字滤波器来使用模数转换器的输出和噪声的高频振动，以根据滤波器中的抽头数目的函数来恢复丢失的码。与该噪声相关的高频振动还可以用于增加可用的码的数目，且因此增加系统的精度。并且另外，该增加的精度和增加的码数能够被呈现为对随后的和芯片外部件的系统输出。
这是通过采用数字滤波器进行频带限制或者平均模数转换器的输出而简单地实现的。例如，在一个实现中，如图4，数字滤波器14a可以包括一个或多个sinc滤波级，60，62，64，和66。其以下面方式工作，例如，假定来自模数转换器的线68上的m位输出是十三位输出但是丢失了其中一个码。第一sinc级60进行例如六十四个采样和保持周期的平均。将六十四个十三位数相加，且然后除以六十四，结果是来自级60的十九位输出。以这种方法继续，级62将来自线70上的其输入的六十四个十九位数相加，这将产生线72上的二十五位输出。每次在级中进行平均六十四个(数)的工作，输出中的位的数目将增加成比例的数。根据抽头数目的函数来增加字宽。例如，因为以二进制方式六十四被表示为26，由此输出位数增加六。如果以三十二平均操作该级，则输出将增加五位：如果是128，则增加七位。总之，字以基数的指数增加：对于64或26字宽增加6，对于32或者25字宽增加5，对于128或者27字宽增加7。这在当前其输出为三十一位的级64中以及其输出为三十七位的级66中继续。因此输出分辨率显著地增加。此外，例如，如果在初始的十三个中存在丢码，使得仅有十二个码而不是十三个，则因为线70上的十九位将仅为十八位且线72上的二十五位将是二十四，因此这不是主要的损害。线74上的三十一位将是三十位。线76上的三十七位将是三十六位。另外，假定位的数目以这种方式增加，则保证无丢码。
只有当模数转换器的输出随时间变化时，频带限制滤波器才改进无丢码的分辨率。如果转换器输出是恒定的，那么它的可能的输出的每一个将带来来自滤波器的唯一输出，且滤波器加转换器的无丢码分辨率将与未滤波的转换器的分辨率相同。如前所述，即使相应的输入恒定，热噪声及其他电路噪声源保证最现代的高精度模数转换器的输出总是随时间变化。做为选择地，设计者可以选择使用比如高频振动的技术将噪声插入到转换器中。
此外，可能比需要的更加精确，例如，当前很少的应用需要三十七位的精度。出于该目的，可以使用截取电路78来将输出位减小到某个期望的大小。例如，如图所示的输出线80上是二十四位。截取电路78能够是仅具有二十四位性能的寄存器或者其能够是仅一组其中仅存在二十四个导体而不是三十七个导体的输出导体，且简单地不传送剩余的十三个输出。
已经发现滤波器越长，其在丢码中填充越好。总的抽头的数目控制丢码性能的改进以及增加精度。因此通过增加级60，62，64，或者66的数目或者每级进行数目平均或频带限制的操作，能够增加精度和无丢码性能。优选地图1的ADC 12和数字滤波器14处于单一芯片上，以使得ADC 12和数字滤波器14一起表现为模数转换器系统，其传递无丢码输出到芯片外作为系统的输出，且任何的精度增加都是期望的。不管到数字滤波器14的m输入大于，小于或者等于数字滤波器14的n位输出，都将恢复丢码。仅有的差别在于，其中如果m大于n，则分辨率提高或精度均提高。当m小于n时，分辨率将降低且当m等于n时，分辨率无变化。典型地，具有超过LSB的所述二分之一的标准偏差的随机噪声将恢复丢码并增加精度。随机噪声可以具有显著的热噪声分量。这里也重要的是，标准偏差等于随机噪声的大约二分之一或者LSB的四分之一。
在直方图90中示出了使用本发明出现丢码的概率，如图5。这里，通过码N4和N6的平均恢复丢码N5。作为这里由存在的代码N3和N7表示的副作用，可以使相邻的码更窄。该平均将如图所示在92出现，其虽然为简单起见被示为平滑函数，但实际上由许多小的台阶组成。这里重要的是无论何时进行平均，简单地通过将接近丢码的相邻码进行平均的事实使得丢码N5出现。随着输入电压改变，曲线92将移动。例如，如果输入电压略微增加，曲线92将移动到92′，如图6，但其将仍在那里。实际上，不同电压将提供多个不同位置，即，在这种情况下，如图4所示在级中的平均的数目是六十四，对于曲线92将有六十四个这种可能的位置，因此从级60从十三到十九增加了额外的六位精度，且从级62从十九到二十五增加了额外的六位精度，等等。
本发明的效果可以参见图7-10。在图7中，示出了用于没有使用本发明的模数转换器系统的INL 100。图8示出了和随机噪声高频振动相结合使用本发明的频带限制或者平均滤波器的INL 102。能够从图7和图8的比较中看到图8提供了更平滑的INL。类似地，图9示出了用于未使用本发明的相同模数转换器系统的DNL。这里注意DNL特性104具有多个非常高的偏移106，且108是在正方向第二高的，且110和112是在负向最高的。认识到(recall)不合需要的高正值不产生丢码。然而，高度关注高负值110，且特别地是接近-1 LSB的122。在符合112的该点的码很可能是丢码。然而，在本发明中，在数字滤波器中采用频带限制或者平均技术，并定义模数转换器系统为模拟变换器加数字滤波器，并典型地在同一芯片上封装它们，因此使用本发明时，图10的DNL 114的正负偏移显著减小，由此，由于这些原因而实际上存在无丢码的保证。现在，例如SAR ADC的模数转换器能够具有曾经仅以∑Δ模数转换器可容易地获得的高精度。通过该增加的分辨率和无丢码的实际保证，可以在多路复用系统120中实现该系统，如图11，其中，第一复用122能够选择多个输入124的任意一个以传送到模数转换器12。能够然后将ADC 12的m个输出传送到第二复用126，该第二复用126能够通过14x将这些输出提供到数字滤波器14a的任意一个。
本发明还包括涉及提供模拟输入到具有m位分辨率输出和预定丢码性能的模数转换器的方法，如图12的步骤130。然后以随机噪声分量将m位输出传送到数字滤波器，如步骤132。可以使用外部噪声源134增加或提升该随机噪声，如由图1中的组件20，20′和22指示的。在数字滤波器中从m位输出和m位输出的随机噪声的高频振动产生n位输出，且优于模数转换器的预定丢码性能，如步骤134。
虽然在某些附图且没有在其它附图中示出本发明的特定特征，为了便利每个特征可以和根据本发明的其它特征的任意或全部结合。此处使用的字“包括”，“包含”，“具有”和“有”意在被广泛地和全面地解释，且不限于任何物理互联。此外，在本申请中公开的任何实施例不被认为的仅有的可能的实施例。
此外，在本专利申请的专利审查期间做出的任意修改不是放弃提交的本申请中存在的任意权利要求的元素：本领域技术人员不能合理地期望撰写出在字面上包含全部可能的等效的权利要求，在修改时很多等效是不可预见的且超出了所放弃的内容(即使有的话)的合理的解释，在修改下面的理论基础可能仅承载对许多等效的离题的关系，和/或存在许多其他理由使得本申请人不能期望描述用于任意修改的权利要求元素的某些非实质的替代。
本领域技术人员将想到其他实施例且在以下权利要求的范围之内。

Claims (27)

1.一种SAR/流水线型/闪烁型/折叠型无丢码模数转换器系统，包括：
模数转换器，具有与其LSB相关的显著的随机噪声分量且具有预定丢码性能；
数字滤波器，响应于高频振动提供n位输出，且优于所述模数转换器的预定丢码性能，其中所述高频振动是由来自所述模数转换器的m位输入的所述随机噪声分量引入的。
2.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，所述数字滤波器和所述模数转换器处于单一芯片上。
3.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，m大于n且所述滤波器降低分辨率并恢复丢失的码。
4.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，m等于n且所述滤波器恢复丢失的码。
5.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，m小于n且所述滤波器增加分辨率并恢复丢失的码。
6.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，所述数字滤波器包括低通，带通，高通，阻带，sinc，IIR和FIR滤波器的组中的一种。
7.根据权利要求1的模数转换器系统，进一步包括用于将来自所述数字滤波器的输出位分辨率降低到预先选择的低分辨率的截取电路。
8.根据权利要求2的模数转换器系统，进一步包括用于将所述数字滤波器的无丢码输出传送到芯片外作为所述系统的输出的输出电路。
9.根据权利要求1的模数转换器系统，其中所述数字滤波器包括用于频带限制m位输入的多个抽头。
10.根据权利要求1的模数转换器系统，其中所述数字滤波器包括用于平均所述m位输入的多个抽头。
11.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，所述数字滤波器根据抽头数目的函数在每个连续级中增加字宽。
12.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，所述数字滤波器根据抽头数目的函数在每个连续级中增加丢码恢复。
13.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，所述随机噪声包括显著的热噪声。
14.根据权利要求1的模数转换器系统，其中，所述模数转换器包括用于对所述随机噪声做出贡献的随机噪声源。
15.根据权利要求1的模数转换器系统，进一步包括用于向所述模数转换器选择性地提供多个不同输入的第一复用电路，多个所述数字滤波器和用于选择性地连接所述数字滤波器中的一个与所述模数转换器的第二复用电路。
16.一种从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，包括：
将模拟输入提供到模数转换器，所述模数转换器具有预定的m位分辨率输出和预定的丢码性能；
将具有随机噪声分量的所述m位输出传送到数字滤波器；在所述数字滤波器中根据所述m位输出和所述m位输出分量的随机噪声的高频振动产生n位输出，且优于所述模数转换器的预定丢码性能。
17.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述数字滤波器和所述模数转换器处于单一芯片上。
18.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，m大于n且所述滤波器降低分辨率并恢复丢失的码。
19.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，m等于n且所述滤波器恢复丢失的码。
20.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，m小于n且所述滤波器增加分辨率并恢复丢失的码。
21.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其进一步将来自所述数字滤波器的输出位分辨率降低到预先选择的低分辨率。
22.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述数字滤波器包括用于频带限制m位输入的多个抽头。
23.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述数字滤波器包括用于平均m位输入的多个抽头。
24.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述数字滤波器根据抽头数目的函数在每个连续级中增加字宽。
25.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述数字滤波器根据抽头数目的函数在每个连续级中增加丢码恢复。
26.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述随机噪声包括显著的热噪声。
27.根据权利要求16的从模数转换器系统提供无丢码输出的方法，其中，所述模数转换器包括用于对所述随机噪声做出贡献的随机噪声源。
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