CN102386925B

CN102386925B - 基于数字前台校正的快闪型模数转换器及模数转换方法

Info

Publication number: CN102386925B
Application number: CN201110281312.0A
Authority: CN
Inventors: 黄冠中; 林平分
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: CN102386925A

Abstract

本发明公开了一种基于数字前台校正的快闪型模数转换器及模数转换方法，包含：分压电阻阵列、线性脉冲宽度调制时间域比较器、编码电路和数字前台校正电路；线性脉冲宽度调制时间域比较器包括：采样保持电路、放电电流源、过零判断电路和D触发器，将电压信号转换成脉宽信号，用D触发器完成比较；编码电路简化后可以直接将比较器输出的温度码转化为模数转换器输出的二进制码，省去了中间通过复杂编码提高对比较阈值不单调容忍程度的环节；算法能够快速收敛，并且降低了对于比较器输入管尺寸的设计需求，减小了芯片面积、功耗和输入负载电容，上电后运行一次即可完成校正功能，不会增加额外功耗。

Description

基于数字前台校正的快闪型模数转换器及模数转换方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字前台校正的快闪型模数转换器及模数转换方法，特别涉及一种使用结合数字自校准算法的线性脉冲宽度调制时间域比较器，消除由工艺失配误差引起的比较阈值偏移和不单调的快闪型模数转换器。

技术背景

快闪型是模数转换器中一种广泛应用的类型，不仅能够独立作为单芯片使用，而且还是其他类型模数转换器(流水线型、逐次逼近型等)的重要组成部分。这种模数转换器适合低精度高速度的应用，有结构简单、数据延时短和吞吐率高等优点，同时也有功耗效率低、面积大等缺点。

由于不可消除的工艺失配误差的存在，需要增加比较器尺寸来减小这种非理想因素的影响，而比较器又是快闪型模数转换器的主要原件，这样会进一步增加芯片面积和功耗以及输入电容负载。与此同时，在深亚微米工艺下传统比较器的设计受到了本征增益和信号摆幅下降的限制，变得更加困难。

快闪型模数转换器的比较阈值由分压电阻和比较器共同决定，如果出现不单调，就会出现编码电路无法处理的码字，导致整体性能下降明显。即使采用牺牲编码速度的格雷码编码比较器输出的原始温度码，最多也只能容忍一个阈值的不单调。

发明内容

本发明目的在于，通过使用一种数字前台校正算法和线性脉冲宽度调制时间域比较器及模数转换方法，在提高功耗效率的前提下，修正快闪型模数转换器比较阈值的不单调，减小芯片面积，并且能够适用于深亚微米工艺的低电源电压。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种基于数字前台校正的快闪型模数转换器，包含：分压电阻阵列、线性脉冲宽度调制时间域比较器、编码电路和数字前台校正电路。

分组电阻阵列包含2^N-1个相同大小的串联电阻，输入参考电压Vref+和参考电压Vref-得到模数转换器所需的另外2^N-2个比较阈值。

线性脉冲宽度调制时间域比较器包括：采样保持电路、放电电流源、过零判断电路和D触发器，采样保持电路连接至过零判断电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到D触发器的数据和时钟输入端，其中：

前述采样保持电路包含一个开关(S1)、一个PMOS管(M4)、一个NMOS管(M5)和一个电容(C)，其中：输入信号经过前述开关(S1)连接到前述电容(C)的上极板；前述PMOS管(M4)和NMOS管(M5)作为虚拟开关连接到前述电容(C)的上极板；

前述放电电流源包含一个NMOS管(M1)，栅极连接固定偏置，源极连接到地，漏极连接到前述电容(C)的上极板；

前述过零判断电路包含两个反相器(N1，N2)、一个PMOS管(M3)、一个NMOS管(M2)和一个由w个控制字调节大小的可调电阻(R)，其中：前述PMOS管(M3)的源极连接到前述可调电阻(R)的一端，栅极由采样时钟控制，漏极连接到前述NMOS管(M2)的漏极；前述可调电阻(R)的另一端连接到电源；前述NMOS管(M2)的栅极连接到前述电容(C)的上极板，漏极通过前述的两个反相器级联输出。

编码电路通过组合逻辑实现将前述比较器二进制比较结果(温度码)到模数转换器数字输出的转换。

基于数字前台校正的快闪型模数转换方法，包括如下步骤：

步骤1：电路上电后，将所有时间域比较器中的脉冲宽度调制模块初始化，选通数字校正模式。

步骤2：以比较阈值最低的一个为基准，把所有相邻比较阈值按照从小到大的顺序两两进行比较：如果比较结果为正，不需要处理；如果比较结果为负，则调节较高的比较阈值对应的脉冲宽度调制电路中的可调电阻，增加其输出脉宽，相应地等效于提高比较阈值。

步骤3：重复步骤2数次，切换到正常模式。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明使用基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器及模数转换方法，能够工作在低电压下(小于1伏)，将电压差转换成脉冲宽度差在时间域进行比较，提高了功耗效率，而且相对于传统比较器芯片面积和输入电容更小。

相应地，与之匹配的数字前台校正电路，上电之后只需要工作一次就能完成对比较阈值单调性的修正，并且数字校正不会影响比较器的速率，引入较少额外电路就能完成设计功能。

综上所述，本发明实现了低电压低功耗快闪型模数转换器，减小了芯片面积，通过数字校正克服了比较阈值不单调带来的负面影响。本发明并不限于上述实施例，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和变化。

附图说明

图1为线性脉冲宽度调制时间域比较器的结构框图；

图2为线性脉冲宽度调制电路图；

图3为本发明基于数字前台校正的快闪型模数转换器的结构框图；

图4为本发明使用基于线性脉冲宽度调制的时间域比较器模数转换方法的数字前台校正的流程图；

图5为本发明实施例中模拟多路开关的电路图；

图6为本发明实施例中数字控制可调电阻的电路图；

图7为本发明实施例中时间域比较器失配误差的蒙特卡洛仿真结果示意图；

图8为本发明实施例中数字前台校正前后比较阈值仿真结果对比示意图；

图9为本发明实施例中模数转换器输出的快速傅里叶转换仿真结果示意图。

符号说明：

101：采样保持电路；102：放电电流源；103：线性脉冲宽度调制；

201：冗余开关(dummy switch)；

301：分压电阻阵列；302：线性脉冲宽度调制时间域比较器；303：编码电路；304：数字前台校正电路；305：线性脉冲宽度调制；306：D触发器；307：模拟多路开关。

具体实施方法

以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明：

如图3所示，本发明基于数字前台校正的快闪型模数转换器的结构框图；包括：分压电阻阵列、线性脉冲宽度调制时间域比较器、编码电路和数字前台校正电路。图1给出了时间域比较器的结构框图。时间域比较器包含：线性脉冲宽度调制和D触发器。图2给出了线性脉冲宽度调制电路图。线性脉冲宽度调制电路包含：采样保持电路；放电电流源；过零检测电路。编码电路用于将比较器阵列输出的2^N-1位温度码转换为N位二进制码，使用简单的组合逻辑实现。图4给出了数字前台校正算法的流程图。本发明实施例中使用的模拟多路开关电路和数字控制可调电阻分别如图5和图6所示。

本发明实施例中的快闪型模数转换器在65纳米CMOS工艺下实现，解析率为6比特，采样率为125兆赫兹，电源电压为1伏，功耗为655微瓦，芯片面积为0.09平方毫米。

实施本发明的关键在于时间域比较器和数字前台校正电路之间的折中：减小比较器的尺寸(图2中NMOS管M2的尺寸)可以减小模数转换器输入负载电容、降低整体功耗、增加转换速率，但是带来的问题是失配误差增大，这样可调电阻就需要更多位数的控制字，循环的次数增加，完成数字校正的时间也相应的变长，于此同时，数字部分的面积增加，甚至超过模拟部分。因此，需要综合考虑设计时间域比较器和数字前台校正电路。

本发明实施例中通过失配误差的蒙特卡洛仿真来确定时间域比较器的尺寸。通过100次仿真的统计结果(如图7所示)得到比较器阈值偏移的标准差是一个最小解析度(LSB)。将其带入到在matlab中建立的模型模拟未校正比较器阈值的偏移，将其归一化后如图8中虚线所示。可以看出模数转换器的阈值多处出现不单调，这时的有效比特数不足2，远远低于设计需求，必须用数字电路校正阈值偏差。经过数字前台校正之后的阈值如图8中实线所示，不单调的情况已经完全消除。相应地，对模数转换器数字输出做快速傅里叶变换如图9所示，有效比特数为5.5左右。

数字电路部分基于图4所示的流程图，使用Verilog HDL编程综合得到，通过自动布局布线用ASIC电路在片上实现。

数字控制可调电阻使用图6所示的电路实现，数字前台校正的控制信号经过解码得到一串只含有一个低电平的序列，确保所有的开关(如图中的PMOS管)中只有一个闭合，其他全都处于关断状态。通过调节线性脉冲宽度调制电路中电阻R的大小，可以改变NMOS管M2的漏极电流，起到控制脉冲宽度的作用。相邻开关之间的电阻能够在其接入电路前后完成一个最小解析度的调节精度。

Claims

1.一种基于数字前台校正的快闪型模数转换器，包含：分压电阻阵列、线性脉冲宽度调制时间域比较器、编码电路和数字前台校正电路；其特征在于：所述的分压电阻阵列包含2^N-1个相同大小的串联电阻，输入参考电压Vref+和参考电压Vref-得到模数转换器所需的另外2^N-2个比较阈值；

所述的线性脉冲宽度调制时间域比较器包括：采样保持电路、放电电流源、过零判断电路和D触发器，采样保持电路连接至过零判断电路和放电电流源构成线性脉冲宽度调制电路；待比较的两个输入信号通过两个相同的线性脉冲宽度调制电路分别输入到D触发器的数据和时钟输入端，其中：

所述的采样保持电路，输入信号经过开关（S1）连接到电容（C）的上极板；PMOS管（M4）和NMOS管（M5）作为虚拟开关连接到电容（C）的上极板；

所述的放电电流源包含一个NMOS管（M1），栅极连接固定偏置，源极连接到地，漏极连接到电容（C）的上极板；

所述的过零判断电路，PMOS管（M3）的源极连接到可调电阻（R）的一端，栅极由采样时钟控制，漏极连接到NMOS管（M2）的漏极；前述可调电阻（R）的另一端连接到电源；NMOS管（M2）的栅极连接到电容（C）的上极板，漏极通过前述的两个反相器级联输出；

所述编码电路通过组合逻辑实现将前述比较器二进制温度码的比较结果到模数转换器数字输出的转换。

2.根据权利要求1所述的基于数字前台校正的快闪型模数转换方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：电路上电后，将所有时间域比较器中的脉冲宽度调制模块初始化，选通数字校正模式；

步骤2：以比较阈值最低的一个为基准，把所有相邻比较阈值按照从小到大的顺序两两进行比较：如果比较结果为正，不需要处理；如果比较结果为负，则调节较高的比较阈值对应的脉冲宽度调制电路中的可调电阻，增加其输出脉宽，相应地等效于提高比较阈值；

步骤3：重复步骤2数次，切换到正常模式。