CN102868408A - 积分模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种积分模数转换器，包括用于增大模数转换器输入信号和基准信号驱动力的缓冲器，用于对缓冲器的输出信号进行积分的积分器，用于比较积分器的输出和基准电压，产生标志信号的比较模块，以及在自归零阶段消除缓冲器、积分器和比较模块的失调电压的自归零辅助电路，通过将失调电压保存到积分电容和自归零电容上，消除了缓冲器、积分器和比较模块的失调电压，实现过程中不需要增加额外的频率补偿电路，大大降低了电路的复杂度和设计难度。

Description

积分模数转换器

技术领域

本发明涉及模数转换技术领域，特别是涉及一种积分模数转换器。

背景技术

许多应用需要将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。ADC的设计通常要权衡分辨率(数字化信号中包含的离散级别的个数)与速度(每秒可以采样的个数)。

在实际应用中，积分ADC具有不受积分电阻积分电容工艺变化影响的特性，但其精度会受到缓冲运放失调电压、积分运放失调电压和比较器失调电压的影响，为了实现高精度，必须消除这些失调电压，所以积分ADC在每次转换前必须先经过自归零，为了能适用于各种类型的积分ADC中。首先，自归零过程需要快速，否则会影响ADC的转换速度；其次，自归零过程不能影响积分ADC的正常工作；再次，自归零的精度要高，否则会影响ADC的转换精度；最后，自归零的电路结构要简单，易于实现。然而前三点的要求往往会使最后一点很难实现。

因此，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新的提出有一种有效措施，采用结构简单的电路，有效的改善自归零的精度和速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种积分模数转换器，仅通过结构简单的电路，有效的改善自归零的精度和速度。

为了解决上述问题，本发明公开了一种积分模数转换器，模数转换过程包括自归零和积分转换，所述积分模数转换器包括：

缓冲器，用于增大模数转换器输入信号和基准信号的驱动力；

积分器，用于对缓冲器的输出信号进行积分；

比较模块，用于比较积分器的输出和基准电压，产生标志信号；以及

自归零辅助电路，用于消除缓冲器、积分器和比较模块的失调电压。

优选的，所述比较模块包括比较器和第四开关，在自归零阶段，通过第四开关把比较器连成闭环。

优选的，所述自归零辅助电路包括自归零电容和第三开关。

优选的，所述自归零辅助电路包括动态功耗控制的反相放大器、自归零电容和第三开关。

优选的，所述积分器包括积分放大器、积分电阻、第一开关、第二开关和积分电容，其中第一开关与积分电阻并联，通过闭合第一开关将缓冲器的失调电压保存到积分电容和自归零电容上。

优选的，在自归零阶段，所述缓冲器的输出连接积分器的输入；

所述积分器的输出通过自归零辅助电路反馈到积分器输入，从而构成闭环，将积分器的失调电压保存到自归零电容上，积分器通过积分电容与比较模块连接，将比较模块的失调电压保存在积分电容上。

优选的，所述缓冲器包括运算放大器或源极跟随器。

优选的，所述自归零辅助电路的反相放大器包括运算放大器或单级放大器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种积分模数转换器，包括用于增大模数转换器输入信号和基准信号驱动力的缓冲器，用于对缓冲器的输出信号进行积分的积分器，用于比较积分器的输出和基准电压，产生标志信号的比较模块，以及在自归零阶段消除缓冲器、积分器和比较模块的失调电压的自归零辅助电路，通过将失调电压保存到积分电容和自归零电容上，消除了缓冲器、积分器和比较模块的失调电压，实现过程中不需要增加额外的频率补偿电路，大大降低了电路的复杂度和设计难度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式所述的一种积分模数转换器的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式所述的自归零时结构1的框图；

图3是本发明具体实施方式所述的自归零时结构2的框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明一种积分模数转换器的结构示意图，模数转换过程包括自归零和积分转换，所述积分模数转换器包括：

缓冲器101，用于增大模数转换器输入信号和基准信号的驱动力；

积分器102，用于对缓冲器的输出信号进行积分；

比较模块103，用于比较积分器的输出和基准电压，产生标志信号；以及

自归零辅助电路104，用于消除缓冲器、积分器和比较模块的失调电压。

其中ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器，真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能，随着电子技术的不断发展，目前在各种不同的产品中都可以找到它的身影。

图2是本发明结构1在自归零时的框图，整个电路包括缓冲器Buffer601、积分器Integrator 602、比较模块Comparator 603和自归零辅助电路604。整个AD过程分为自归零和积分转换2个阶段，Buffer601用来增大ADC输入信号和基准信号的驱动力，Integrator 602用于对Buffer的输出信号进行积分，Comparator 603用于比较Integrator的输出和基准电压，产生标志信号，而自归零辅助电路604用于辅助Buffer 601、Integrator 602和Comparator 603，消除它们的失调电压。

Buffer 601的输出连接Integrator 602的输入，Integrator 602的输出通过自归零辅助电路604，反馈到Integrator 602，Integrator 602通过积分电容Cint连接Comparator 603的输入。Integrator 602包括积分放大器、积分电阻Rint、第一开关S1、第二开关S2和积分电容Cint。自归零辅助电路604包括动态功耗控制的反相放大器、自归零电容Cz和第三开关S3。Comparator 603包括比较器和第四开关S4。

更为具体的，积分电阻Rint与第一开关S1并联后一端与缓冲器601的输出端相连，另一端与积分放大器的负向输入端相连，积分电容Cint的一端连接积分放大器的负向输入端，另一端作为积分器的输出端与比较模块相连，第二开关S2的一端与积分放大器的输出端相连，另一端与积分器的输出端相连，积分放大器的正向输入端与包括动态功耗控制的反相放大器、自归零电容Cz和第三开关S3的自归零辅助电路相连，其中，第三开关S3一端连接积分放大器的输出端，另一端与反相放大器的输入端相连，自归零电容Cz一端连接反相放大器的输出端，另一端连接基准电压，反相放大器的输出端作为自归零辅助电路的输出端与积分放大器的正向输入端连接，比较模块603包括比较器和第四开关S4，第四开关S4的一端连接比较器的负相输入端，另一端与比较器的输出端相连，同时，比较器的负相输入端与积分器的输出端相连，比较模块的正向输入端连接基准电压(VCOM)，比较器的输出端作为比较模块的输出，即输出标志信号。

在自归零状态，第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4闭合，第二开关S2断开，动态功耗控制的反相放大器开启，Buffer的失调电压Vos1保存在积分电容Cint和自归零电容Cz的上极板，积分器和自归零辅助电路604组成的闭环，使积分器的失调电压Vos2保存在自归零电容Cz的上极板，比较模块自身闭环，使比较模块的失调电压Vos3保存在积分电容Cint的下极板，因此积分电容Cint的上极板电压值为VCOM+Vos1，积分电容Cint的下极板电压值为VCOM+Vos3；自归零电容Cz的上极板电压值为VCOM+Vos1-Vos2，自归零电容Cz的下极板电压值为VCOM。从而可以保证积分转换时，Buffer的失调电压Vos1、积分器的失调电压Vos2和比较模块的失调电压Vos3不会影响转换精度。

采用动态功耗控制的反相放大器和积分放大器组成的闭环，相对于现有技术来说设计难度大大降低，增加的这一级反相器可以采用低增益大带宽的放大器结构，以保证它和积分放大器组成的闭环的稳定性。而且该反相放大器是采用动态功耗控制，只在自归零时开启，所以并没有增加太多系统功耗。

另外，为了加快自归零的稳定速度，增加了第一开关S1，将积分电阻Rint短路，否则稳定时间会受Rint*Cint时间常数的影响，通常在低功耗的设计中Rint比较大，以减小积分器和Buffer的负载，Cint也比较大，以保证自归零的精度。

图3是本发明结构2在自归零时的框图，可理解为是在发明结构1上的改进，整个电路包括Buffer 701、Integrator 702和Comparator 703和自归零辅助电路704。Buffer 701的输出连接Integrator 702的输入，Integrator 702的输出连接Comparator 703的输入。Integrator 702包括积分放大器、积分电阻Rint、第一开关S1、第二开关S2和积分电容Cint。自归零辅助电路704包括自归零电容Cz和第三开关S3。Comparator 703包括比较器和第四开关S4。

具体的，积分电阻Rint与第一开关S1并联后一端与缓冲器601的输出端相连，另一端与积分电压Cint的一端连接，积分电压Cint的另一端作为积分器的输出端与比较模块相连，第二开关S2的一端与积分放大器的输出端相连，另一端与积分器的输出端相连，积分放大器的正向输入端连接基准电压，积分器的负向输入端与包含自归零电容Cz和第三开关S3的自归零辅助电路704相连，其中，自归零电容Cz的一端与积分电阻Rint与第一开关S1并联后与积分电容Cint连接的一端，相连，另一端连接积分放大器的负向输入端和第三开关S3的一端，第三开关S3的另一端与积分放大器的输出端相连，比较模块703包括比较器和第四开关S4，第四开关S4的一端连接比较器的负相输入端，另一端与比较器的输出端相连，同时，比较器的负相输入端与积分器的输出端相连，正向输入端连接基准电压。

在自归零状态，第一开关S1、第三开关S3和第四开关S4闭合，第二开关S2断开，Buffer的失调电压Vos1保存在积分电容Cint和自归零电容Cz的上极板，积分放大器自身闭环，使积分器的失调电压Vos2保存在自归零电容Cz的下极板，比较模块自身闭环，使比较模块的失调电压Vos3保存在积分电容Cint的下极板，因此积分电容Cint的上极板电压值为VCOM+Vos1，积分电容Cint的下极板电压值为VCOM+Vos3；自归零电容Cz的上极板电压值为VCOM+Vos1，自归零电容Cz的下极板电压值为VCOM+Vos2。达到的效果与发明结构1相同，都能保证积分转换时，Buffer的失调电压Vos1、积分器的失调电压Vos2和比较模块的失调电压Vos3不会影响转换精度。

本发明结构2通过把自归零电容Cz移到积分放大器的负向输入端，避免增加反相放大器，只需要保证Buffer、积分放大器和比较器自身环路的稳定性即可，降低了电路复杂度。

在积分转换阶段的连接关系，取决于具体的积分ADC结构，本申请提出的两种结构不拘泥于某一种积分ADC，适用于各种积分ADC结构中。

本发明结构1和2中Buffer的电路结构可以是运算放大器，也可以是源级跟随器，不拘泥于某一种特殊电路结构，只要能完成缓冲功能就行；本发明结构1中自归零辅助电路604中的反相放大器的电路结构可以是运算放大器，也可以是单级放大器，只要能完成反相放大的功能就行。

以上对本发明所提供的一种积分模数转换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种积分模数转换器，模数转换过程包括自归零和积分转换，其特征在于，所述积分模数转换器包括：

缓冲器，用于增大模数转换器输入信号和基准信号的驱动力；

积分器，用于对缓冲器的输出信号进行积分；

比较模块，用于比较积分器的输出和基准电压，产生标志信号；以及

自归零辅助电路，用于消除缓冲器、积分器和比较模块的失调电压。

2.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

所述比较模块包括比较器和第四开关，在自归零阶段，通过第四开关把比较器连成闭环。

3.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

所述自归零辅助电路包括自归零电容和第三开关。

4.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

所述自归零辅助电路包括动态功耗控制的反相放大器、自归零电容和第三开关。

5.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

所述积分器包括积分放大器、积分电阻、第一开关、第二开关和积分电容，其中第一开关与积分电阻并联，通过闭合第一开关将缓冲器的失调电压保存到积分电容和自归零电容上。

6.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

在自归零阶段，所述缓冲器的输出连接积分器的输入；

所述积分器的输出通过自归零辅助电路反馈到积分器输入，从而构成闭环，将积分器的失调电压保存到自归零电容上，积分器通过积分电容与比较模块连接，将比较模块的失调电压保存在积分电容上。

7.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

所述缓冲器包括运算放大器或源极跟随器。

8.如权利要求1所述的积分模数转换器，其特征在于：

所述自归零辅助电路的反相放大器包括运算放大器或单级放大器。

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