CN103152053B

CN103152053B - 动态模数转换器

Info

Publication number: CN103152053B
Application number: CN201310106848.8A
Authority: CN
Inventors: 宁宁; 王成碧; 李天柱; 胡勇; 陈文斌; 李靖; 吴霜毅
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103152053A

Abstract

本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种动态模数转换器。本发明所述的动态模数转换器，包括采样保持电路、电压斜率转换电路、斜率数字码转换电路和时钟电路，所述采用保持电路与电压斜率转换电路连接，所述电压斜率转换电路与斜率数字码转换电路连接，所述时钟电路分别与采用保持电路、电压斜率转换电路和斜率数字码转换电路连接。本发明的有益效果为，整体架构简单，适合单端电路，无需内部基准和非交叠时钟，适用于极低功耗应用，并且不需要运放放大器，适合纳米级数字工艺，可通过数字单元来实现时间轴上的动态电压检测，数字单元随着工艺最小尺寸的减小，延迟越来越小，适用于高速应用。本发明尤其适用于数模转换器。

Description

动态模数转换器

技术领域

本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种动态模数转换器。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，特别是无线移动终端的高速发展，对模拟器件性能的要求越来越高。模数转换器是无线移动终端中的核心器件，因此低功耗、高速、高精度的模数转换器将给其产品带来竞争优势，特别是低功耗。

传统模数转换器结构随着工艺尺寸的减小，将面临着越来越来的挑战。一方面，由于随着工艺尺寸的减少不利于高增益高频率运算放大器的设计，而运算放大器是传统模数转换器的基础，比如目前高速、高精度模数转换器最常采用的流水线架构。另一方面，即使目前时间交织模数转换器用于在同比功效下得到更高的速度，但是其基本架构还是采用了传统模数架构，而传统模数架构需要基准电路、非交叠时钟、运算放大器等，其复杂的结构决定了在获得高速、高精度的同时很难再保持低功耗。因此随着工艺尺寸的减小，随着对低功耗、高速的要求越来越高，传统模数转换器已经不能适应当前技术发展的需求。

目前，国外许多研究中出现了基于时间模数转换器。基于时间模数转换器将模拟电压通过调制系统，变成纯粹的数字信号，然后对数字信号进行处理，输出转换码。但是目前采用的调制系统比较复杂，而且其精度不高，比如说脉冲宽度调制和脉冲位子调制。也不能适应当前对应模式转换器的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，就是针对现有技术存在的问题，提出一种高速度和低功耗的模数转换器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：动态模数转换器，包括采样保持电路、电压斜率转换电路、斜率数字码转换电路和时钟电路，所述采样保持电路与电压斜率转换电路连接，所述电压斜率转换电路与斜率数字码转换电路连接，所述时钟电路分别与采样保持电路、电压斜率转换电路和斜率数字码转换电路连接，其中，

采样保持电路用于在采样周期内，采样变化的输入电压，在保存周期内输出所采到的输入电压，不同的输入电压对应不同斜率的变化曲线；

电压斜率转换电路用于将采样保持电路所采到的输入电压转换成一条电压随时间变化的曲线；

斜率数字码转换电路用于对电压随时间变化的曲线进行检测，输出温度码，经过编码电路输出二进制数字码，完成模数转换；

时钟电路用于提供采样保持电路，电压斜率转换电路，以及斜率数字码转换电路正常工作的时钟信号。

具体的，所述斜率数字码转换电路包括触发器模块和延迟模块，所述触发器模块分别与电压斜率转换电路的输出端和延迟模块连接，所述延迟模块与时钟电路连接，所述触发器模块输出端输出温度码。

具体的，所述时钟电路包括时钟信号输入端clk、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第一时钟信号输出端clkp和第二时钟信号输出端clkn，时钟信号输入端clk与第一反相器的输入端连接，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端连接，第二反相器的输出端与第一时钟信号输出端clkp和第三反相器的输入端连接，第三反相器的输出端与第二时钟信号输出端clkn连接。

具体的，所述斜率数字码转换电路还包括编码电路，所述触发器模块和延迟模块分别至少包含1个触发器和1个延迟单元，所述触发器模块包含的触发器数量与延迟模块包含的延迟单元数量相等且一一对应，所述触发器的输入端与电压斜率转换电路连接，输出端与编码电路连接，所述延迟单元与第二时钟信号输出端clpn连接并作为相对应的触发器的时钟输入端信号。

具体的，所述触发器模块包括第一触发器、第二触发器和第三触发器，所述延迟模块包括第一延迟单元、第二延迟单元和第三延迟单元，其中，第一触发器、第二触发器和第三触发器的信号输入端相互连接并与电压斜率转换电路的输出端连接，第一触发器、第二触发器和第三触发器的输出端依次作为温度码并输出到编码电路，第二时钟信号输出端clpn经第一延迟单元后作为第一触发器的时钟输入端信号，第二时钟信号输出端clpn经第一延迟单元和第二延迟单元后作为第二触发器的时钟输入端信号，第二时钟信号输出端clpn经第一延迟单元、第二延迟单元和第三延迟单元后作为第三触发器的时钟输入端信号，其中，第一触发器、第二触发器、第三触发器、第一延迟单元、第二延迟单元和三延迟单元用于对电压斜率转换电路输入的电压随时间变化进行曲线斜率的检测并输出温度码到编码电路，编码电路用于将温度码编译成二进制数字码并输出，完成模数转换。

具体的，所述电压斜率转换电路包括第一场效应晶体管M2、第二场效应晶体管M3、第三场效应晶体管M4和电容C2，其中，第一场效应晶体管M2的栅极与第一时钟信号输出端clkp连接、源极与电源电压VDD连接、漏极与第二场效应晶体管M3的源极连接，第二场效应晶体管M3的栅极与采样保持电路的输出端连接，漏极与第三场效应晶体管M4的漏极连接，第三场效应晶体管M4的栅极与第一时钟信号输出端clkp连接，源极接地，第二场效应晶体管M3的漏极和第三场效应晶体管M4的漏极与电容C2的一端和斜率数字码转换电路连接，电容C2的另一端接地。

具体的，所述延迟模块的延迟时间可以实时调节。

本发明的有益效果为，整体架构简单，适合单端电路，无需内部基准和非交叠时钟，适用于极低功耗应用，并且不需要运放放大器，适合纳米级数字工艺，可通过数字单元来实现时间轴上的动态电压检测，数字单元随着工艺最小尺寸的减小，延迟越来越小，适用于高速应用。

附图说明

图1为本采用发明的2位动态模数转换器电路示意图；

图2为时钟电路的电路示意图；

图3为本发明的动态模数转换器电路工作原理示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，为本发明所述的动态模数转换器的一个具体的2位动态模数转换器电路图。包括：输入电压Vin、采样保持电路100、电压斜率转换电路200和斜率数字码转换电路300，如图2所示，为时钟电路400，其中，输入电压Vin与采样保持电路100连接，采样保持电路100与电压斜率转换电路200，电压斜率转换电路200与斜率数字码转换电路300，时钟电路400分别与采样保持电路100、电压斜率转换电路200和斜率数字码转换电路300连接，为了实现2位动态模数转换，斜率数字码转换电路采用了3个触发器与3个延迟单元。

采样保持电路100主要用于，在采样周期内，对输入电压Vin进行采样，在保持周期内，输出所采到的采样电压Vsamp。

其中，采用保存电路100包括：采样开关NMOS管M1，采样电容C1。其中，NMOS管M1的栅极由时钟信号clk控制，NMOS管M1的漏极接输入电压Vin，NMOS管M1的源极与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与地电压GND连接。

电压斜率转换电路200主要用于在采样周期内，对电路进行复位；在保持周期内，对采样保持电路100所输出的采样电压Vsamp进行转换，输出动态电压Vslope，电压Vslope随着时间变化。不同的采样电压Vsamp决定着不同的电压Vslope随时间变化曲线的斜率。

其中，电压斜率转换电路200包括：第一PMOS管M2、第二PMOS管M3、NMOS管M4以及电容C2。其中第一PMOS管M2的栅极由时钟信号clkp控制，第一PMOS管M2的源极与电源电压VDD连接，第一PMOS管M2的漏极与第二PMOS管M3的源极连接，第二PMOS管M3的栅极由采样电压Vsamp控制，第二PMOS管M3的漏极与NMOS管M4的漏极连接，NMOS管M4的栅极由时钟信号clkp控制，NMOS管M4的源极与地电压GND连接，第二PMOS管M3漏极和NMOS管M4漏极的连接点与电容C2的一端连接，其连接点的电压作为输出电压Vslope，电容C2的另一端与地电压GND连接。在采样周期内，第一PMOS管M2控制转换的开始，对电容C2进行充电，输出电压Vslope随时间变化的曲线，第二PMOS管M3决定不同的采样电压Vsamp对于不同电压Vslope随时间变化曲线的斜率；在保持周期内，NMOS管M4用于对电容C2上的电荷进行清零复位。

斜率数字码转换电路300主要用于在采样周期内，输出上一个采样周期所输出的采样电压对应的二进制数字码；在保存周期内，对电压Vslope随时间变化曲线斜率进行检查，输出温度码，温度码通过编码电路输出二进制数字码，完成模数转换。

其中，斜率数字码转换电路300包括：D触发器301～303，延迟单元304～306，以及编码电路307。其中D触发器301～303的信号输入端D相互连接，并偶接于电压Vslope，D触发器301～303的输出端依次作为温度码，并输出编码电路307，时钟信号clpn经延迟单元304后作为D触发器301的时钟输入端信号，时钟信号clpn依次经延迟单元304～305后作为D触发器302的时钟输入端信号，时钟信号clpn依次经延迟单元304～306后作为D触发器302的时钟输入端信号。D触发器301～303和延迟单元304～306完成对电压Vslope随时间变化曲线斜率的检测，输出温度码，编码电路307将温度码编译成二进制数字码并输出，完成模数转换。

时钟电路400主要产生时钟，使所述的采样保持电路100、电压斜率转换电路200和斜率数字码转换电路300能够正常工作，完成模数转换。

其中，时钟电路400包括：反相器401～403。其中，时钟信号clk做为输入信号，时钟信号clk依次经反相器401～402输出时钟信号clkp，时钟信号clk依次经反相器401～403输出时钟信号clkn。当时钟输入信号clk为高电压时，此时对应clkp为高电平以及clkn为低电平，电路工作于采样周期，否则为保持周期。

如图3所示，为根据本发明的一个具体实施例2位模数转换器的工作原理图。

由电容C上的饿电荷守和，可以得到如下：

Q_{t} - Q_{t_{0}} = {&Integral;}_{t_{0}}^{t} I d t

以clkp从低电压变为高电压的时刻为t0，此时Vt0为0v。随着时间的增加，电容C2开始充电，电压Vslope开始升高。以电压Vslope升到电压为V_DFF的时刻为t，其中V_DFF为D触发器301～303的转折电压。

当转折电压V_DFF设置不是很高时，不考虑二阶效应，电路可以表示为：

I = \frac{W}{2 L} \cdot K_{p} \cdot {(V_{D D} - V_{s a m p} - | V_{t h p} |)}^{2}

联合上面两个公式可以得到：

t = \frac{C \cdot V_{D F F}}{\frac{W}{2 L} \cdot K_{p} \cdot {(V_{D D} - V_{s a m p} - | V_{t h p} |)}^{2}} + t_{0}

当采样电压Vsamp从0～VDD-V_thp的时候，采样电压Vsamp和时间t两者实现一一映射。以2位模数转换器为实施例，需要3个D触发器，每个D触发器的转换电压都为V_DFF。将采样电压Vsamp分别为1VPP/4，VPP/2，3VPP/4代入上述公式的可以得到时间T_VPP/4，T_VPP/2，T_3VPP/4，分别如下：

T_{V P P / 4} = \frac{C \cdot V_{D F F}}{\frac{W}{2 L} \cdot K_{p} \cdot {(V_{D D} - | V_{t h p} | - \frac{V P P}{4})}^{2}} + t_{0}

T_{V P P / 2} = \frac{C \cdot V_{D F F}}{\frac{W}{2 L} \cdot K_{p} \cdot {(V_{D D} - | V_{t h p} | - \frac{V P P}{2})}^{2}} + t_{0}

T_{3 V P P / 4} = \frac{C \cdot V_{D F F}}{\frac{W}{2 L} \cdot K_{p} \cdot {(V_{D D} - | V_{t h p} | - \frac{3 V P P}{4})}^{2}} + t_{0}

设计延迟单元304～306的延迟时间为T_VPP/4，T_VPP/2-T_VPP/4，T_3VPP/4-T_VPP/2。输入电压分别为1VPP/4，VPP/2，3VPP/4(假定输入摆幅为0到VPP)，其电压Vslope变化曲线如图3所示。当采样电压Vsamp为5VPP/8时，其电压映射的时间为：

T_{5 V P P / 8} = \frac{C \cdot V_{D F F}}{\frac{W}{2 L} \cdot K_{p} \cdot {(V_{D D} - | V_{t h p} | - \frac{5 V P P}{8})}^{2}} + t_{0}

从而可以得到：

T_VPP/2＜T_5VPP/8＜T_3VPP/4

因此，D触发器301～303锁存所输出的数字电压分别为001(温度计码)，将001(温度码)进行编码输出10(二进制数字码)，完成现模数转换。

由于工艺、失配以及理论分析对时间T_VPP/4，T_VPP/2，T_3VPP/4存在误差，因此可以通过实时调整延迟单元304～306的延迟时间，获得更好的模数转换器性能。

同理，需要多位动态数模转换器时，设置多个触发器和延迟单元即可实现，其原理相同，在此不再赘述。

Claims

1.动态模数转换器，包括采样保持电路、电压斜率转换电路、斜率数字码转换电路和时钟电路，所述采样保持电路与电压斜率转换电路连接，所述电压斜率转换电路与斜率数字码转换电路连接，所述时钟电路分别与采样保持电路、电压斜率转换电路和斜率数字码转换电路连接，其中，

采样保持电路用于在采样周期内，采样变化的输入电压，在保存周期内输出所采到的输入电压；

时钟电路用于提供采样保持电路，电压斜率转换电路，以及斜率数字码转换电路正常工作的时钟信号；

所述电压斜率转换电路包括第一场效应晶体管M2、第二场效应晶体管M3、第三场效应晶体管M4和电容C2，其中，第一场效应晶体管M2的栅极与第一时钟信号输出端clkp连接、源极与电源电压VDD连接、漏极与第二场效应晶体管M3的源极连接，第二场效应晶体管M3的栅极与采样保持电路的输出端连接，漏极与第三场效应晶体管M4的漏极连接，第三场效应晶体管M4的栅极与第一时钟信号输出端clkp连接，源极接地，第二场效应晶体管M3的漏极和第三场效应晶体管M4的漏极与电容C2的一端和斜率数字码转换电路连接，电容C2的另一端接地；

所述斜率数字码转换电路包括触发器模块、延迟模块及编码电路；所述触发器模块和延迟模块分别至少包含1个触发器和1个延迟单元，所述触发器模块包含的触发器数量与延迟模块包含的延迟单元数量相等且一一对应，所述触发器的输入端与电压斜率转换电路连接，输出端与编码电路连接，所述延迟单元与第二时钟信号输出端clpn连接并作为相对应的触发器的时钟输入端信号。

2.根据权利要求1所述的动态模数转换器，其特征在于，所述时钟电路包括时钟信号输入端clk、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第一时钟信号输出端clkp和第二时钟信号输出端clkn，时钟信号输入端clk与第一反相器的输入端连接，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端连接，第二反相器的输出端与第一时钟信号输出端clkp和第三反相器的输入端连接，第三反相器的输出端与第二时钟信号输出端clkn连接。

3.根据权利要求2所述的动态模数转换器，其特征在于，所述触发器模块包括第一触发器、第二触发器和第三触发器，所述延迟模块包括第一延迟单元、第二延迟单元和第三延迟单元，其中，第一触发器、第二触发器和第三触发器的信号输入端相互连接并与电压斜率转换电路的输出端连接，第一触发器、第二触发器和第三触发器的输出端依次作为温度码并输出到编码电路，第二时钟信号输出端clpn经第一延迟单元后作为第一触发器的时钟输入端信号，第二时钟信号输出端clpn经第一延迟单元和第二延迟单元后作为第二触发器的时钟输入端信号，第二时钟信号输出端clpn经第一延迟单元、第二延迟单元和第三延迟单元后作为第三触发器的时钟输入端信号，其中，第一触发器、第二触发器、第三触发器、第一延迟单元、第二延迟单元和三延迟单元用于对电压斜率转换电路输入的电压随时间变化进行曲线斜率的检测并输出温度码到编码电路，编码电路用于将温度码编译成二进制数字码并输出，完成模数转换。

4.根据权利要求1所述的动态模数转换器，其特征在于，所述延迟模块的延迟时间可以实时调节。