CN103368573B - 自适应量程的电流adc电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应量程的电流ADC电路，涉及集成电路领域，该电路包括电流DAC单元、电流放大器、参考电压端口、电压比较器、数字信号处理单元和译码器，电压比较器的第一输入端与参考电压端口相连，电压比较器的第二输入端分别与电流DAC单元的电流输出端、电流放大器的电流输出端相连，电压比较器的输出端与数字信号处理单元的信号输入端相连，数字信号处理单元的数据信号输出端与电流DAC单元的数字信号输入端相连，数字信号处理单元的量程信号输出端分别与电流放大器的数字信号输入端、译码器的数字信号输入端相连。本发明根据输入光电流的强弱，自动选择合适的量程，能实现0dBm到-40dBm甚至更大范围内的光电流监控。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种自适应量程的电流ADC(Analog-DigitalConverter，模拟-数字转换器)电路。
背景技术
光通信行业的发展对光模块智能化的监控提出了较高的要求。对于千兆速率级别的光模块，对接收光功率及光电流的监控，目前通常要求在0dBm到-40dBm甚至更大范围内监控。普通的ADC无法适应如此大的动态范围的监控，即便采用12位的ADC，当输入信号-40dBm附近时，有效位数也降到了甚至不到1位，无法满足监控的要求。若采用16位的ADC，则会遇到速度、功耗、面积等方面的限制，难以集成到光模块IC(IntegratedCircuit，集成电路)中。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种自适应量程的电流ADC电路，根据输入光电流的强弱，自动选择合适的量程，能够实现在0dBm到-40dBm甚至更大范围内的光电流监控，在大动态范围内的模数转换和监控都能达到接近满量程的有效位宽，能够集成到IC中。
本发明提供的自适应量程的电流ADC电路，包括电流DAC单元、电流放大器、参考电压端口Vref、电压比较器、数字信号处理单元和译码器，电压比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，数字信号处理单元包括信号输入端、数据信号输出端和量程信号输出端，电压比较器的第一输入端与参考电压端口Vref相连，电压比较器的第二输入端分别与电流DAC单元的电流输出端、电流放大器的电流输出端相连，电压比较器的输出端与数字信号处理单元的信号输入端相连，数字信号处理单元的数据信号输出端输出12位数字信号，量程信号输出端输出9位数字信号，数字信号处理单元的数据信号输出端与电流DAC单元的数字信号输入端相连，将12位数字信号输入到电流DAC单元，数字信号处理单元的量程信号输出端分别与电流放大器的数字信号输入端、译码器的数字信号输入端相连，将9位数字信号分别输入到电流放大器、译码器，其中：
电流DAC单元，用于：将12位的数字量转换为模拟量，并将模拟量输出到电压比较器；
电压比较器，用于：将电流比较的结果转换成一位二进制数据，输出到数字信号处理单元；
数字信号处理单元，用于：输出量程控制数据Irate[8:0]至电流放大器、译码器；控制电流DAC单元和电流放大器的数据输入；完成量程的选择：先选择最大量程：1/4乘数对应量程，采样一次；再根据量程选择条件选择合适的量程，精确采样后输出转换结果：12位的有效数字信号ADdate[11:0]；
电流放大器，用于：根据数字信号处理单元输入的量程控制数据Irate[8:0]，将输入信号Iin放大到合适的值，与电流DAC单元的输出电流进行比较；
译码器，用于：将数字信号处理单元产生的量程控制数据Irate[8:0]转换成4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]，所述4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]与数字信号处理单元输出的12位的有效数字信号ADdate[11:0]组合，共同形成所述电流ADC电路转换完成的最终精确转换结果。
在上述技术方案的基础上，所述电流放大器包括被转换的电流信号输入端Iin、第一模拟开关、第一电流镜输入单元、第一电流镜输出单元、第二模拟开关，第一模拟开关由9个NMOS晶体管M10-M18组成，第一电流镜输出单元由1个NMOS晶体管M19构成，第一电流镜输入单元由9个NMOS晶体管M20-M28组成，第二模拟开关由9个NMOS晶体管M30-M38组成，第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28各自的栅极和漏极接在一起，源极均接地；第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28的漏极依次与第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的源极相连；第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28的栅极依次与第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的漏极相连；第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的漏极全部连接在一起，还与电流放大器中被转换的电流信号输入端Iin相连；第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的栅极依次与第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的栅极相连，还依次与输入电流放大器的9位数字信号相连；第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的源极全部连接在一起，还与第一电流镜输出单元中NMOS晶体管M19的栅极相连，第一电流镜输出单元中NMOS晶体管M19的源极接地，NMOS晶体管M19的漏极与电流放大器的电流输出端相连。
在上述技术方案的基础上，所述电流DAC单元还包括参考电流输入端Iref、第二电流镜输出单元、第二电流镜输入单元和第三模拟开关，第二电流镜输出单元由12个PMOS晶体管M400-M411组成，第二电流镜输入单元由1个PMOS晶体管M412组成，第三模拟开关由12个PMOS晶体管M500-M511组成，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的源极、第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的源极均接电源，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的漏极依次与第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的源极相连，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的栅极和第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的栅极连接在一起，并与第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的漏极相连，最后一并接到参考电流输入端Iref；第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的栅极分别与输入电流DAC单元的12位数字信号相连，第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的漏极连接到一起，并接到电流DAC单元的电流输出端。
在上述技术方案的基础上，所述电流放大器中9个NMOS晶体管M20-M28组成的第一电流镜输入单元与NMOS晶体管M19组成的第一电流镜输出单元构成镜像关系，将通过9个NMOS晶体管M20-M28组成的电流镜组的总电流按比例放大并通过NMOS晶体管M19输出；9个NMOS晶体管M10-M18、9个NMOS晶体管M30-M38分别构成第一模拟开关、第二模拟开关，分别由输入的9位数字信号控制。
在上述技术方案的基础上，所述9个NMOS晶体管M20-M28的沟道长度相同，沟道宽度满足以下等式的要求，以满足比例变换的效果：
M20：M21：M22：M23：M24：M25：M26：M27：M28＝1：2：4：8：16：32：64：128：1。
在上述技术方案的基础上，所述NMOS晶体管M10-M18、M30-M38的沟道宽度满足以下比例关系：
M10：M11：M12：M13：M14：M15：M16：M17：M18
＝M30：M31：M32：M33：M34：M35：M36：M37：M38
＝1：2：4：8：16：32：64：128：1。
在上述技术方案的基础上，所述电流DAC单元中12个PMOS晶体管M400-M411组成的第二电流镜输出单元与PMOS晶体管M412组成的第二电流镜输入单元构成镜像关系，将流过PMOS晶体管M412的参考电流Iref按比例放大并输出；12个PMOS晶体管M500-M511构成第三模拟开关，分别由输入的12位数字信号控制，当12位数字中的某一位或多位为逻辑0时，相应的模拟开关导通，使得12个PMOS晶体管M400-M411中相应的PMOS晶体管导通，并将镜像的电流输出到电流DAC单元的电流输出端。
在上述技术方案的基础上，所述PMOS晶体管M400-M412的沟道长度相同，沟道宽度满足以下等式的要求，以满足加权输出的效果：
M400：M401：M402：…：M410：M411：M412＝1：2：4：…：1024：2048：1。
在上述技术方案的基础上，所述12个PMOS晶体管M500-511的沟道宽度满足以下比例关系：M500：M501：M502：…：M510：M511＝1：2：4：…：1024：2048。
在上述技术方案的基础上，当输入信号的范围不同时，量程的选择由数字信号处理单元来完成，具体过程如下：先选择最大量程：1/4乘数对应量程，采样一次；再根据量程选择条件选择合适的量程，精确采样后输出转换结果。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明根据输入光电流的变化范围，自动选择合适的量程，最终得到12位的有效数字信号ADdate[11:0]和4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]，能够实现0dBm到-40dBm甚至更大范围内的光电流监控。
(2)本发明在大动态范围内的模数转换和监控都能达到接近满量程的有效位宽。
(3)本发明中ADC的转换速度、功耗、面积等技术指标均衡，能够集成到IC中。
附图说明
图1是本发明实施例中自适应量程的电流ADC电路的原理框图。
图2是本发明实施例中电流放大器的电路图。
图3是本发明实施例中电流DAC单元的电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种自适应量程的电流ADC电路，包括电流DAC单元、电流放大器、参考电压端口Vref、电压比较器、数字信号处理单元和译码器，电压比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，数字信号处理单元包括信号输入端、数据信号输出端和量程信号输出端，电压比较器的第一输入端与参考电压端口Vref相连，电压比较器的第二输入端分别与电流DAC单元的电流输出端、电流放大器的电流输出端相连，电压比较器的输出端与数字信号处理单元的信号输入端相连，数字信号处理单元的数据信号输出端输出12位数字信号，量程信号输出端输出9位数字信号，数字信号处理单元的数据信号输出端与电流DAC单元的数字信号输入端相连，将12位数字信号输入到电流DAC单元，数字信号处理单元的量程信号输出端分别与电流放大器的数字信号输入端、译码器的数字信号输入端相连，将9位数字信号分别输入到电流放大器、译码器，其中：
电流DAC单元，用于：将12位的数字量转换为模拟量，并将模拟量输出到电压比较器；
电压比较器，用于：将电流比较的结果转换成一位二进制数据，输出到数字信号处理单元；
数字信号处理单元，用于：输出量程控制数据Irate[8:0]至电流放大器、译码器；控制电流DAC单元和电流放大器的数据输入；完成量程的选择：先选择最大量程：1/4乘数对应量程，采样一次；再根据量程选择条件选择合适的量程，精确采样后输出转换结果：12位的有效数字信号ADdate[11:0]；
电流放大器，用于：根据数字信号处理单元输入的量程控制数据Irate[8:0]，将输入信号Iin放大到合适的值，与电流DAC单元的输出电流进行比较；
译码器，用于：将数字信号处理单元产生的量程控制数据Irate[8:0]转换成4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]，所述4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]与数字信号处理单元输出的12位的有效数字信号ADdate[11:0]组合，共同形成所述电流ADC电路转换完成的最终精确转换结果。
参见图2所示，电流放大器包括被转换的电流信号输入端Iin、第一模拟开关、第一电流镜输入单元、第一电流镜输出单元、第二模拟开关，第一模拟开关由9个NMOS晶体管M10-M18组成，第一电流镜输出单元由1个NMOS晶体管M19构成，第一电流镜输入单元由9个NMOS晶体管M20-M28组成，第二模拟开关由9个NMOS晶体管M30-M38组成，第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28各自的栅极和漏极接在一起，源极均接地；第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28的漏极依次与第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的源极相连；第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28的栅极依次与第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的漏极相连；第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的漏极全部连接在一起，还与电流放大器中被转换的电流信号输入端Iin相连；第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的栅极依次与第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的栅极相连，还依次与输入电流放大器的9位数字信号相连；第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的源极全部连接在一起，还与第一电流镜输出单元中NMOS晶体管M19的栅极相连，第一电流镜输出单元中NMOS晶体管M19的源极接地，NMOS晶体管M19的漏极与电流放大器的电流输出端相连。
参见图3所示，电流DAC单元还包括参考电流输入端Iref、第二电流镜输出单元、第二电流镜输入单元和第三模拟开关，第二电流镜输出单元由12个PMOS晶体管M400-M411组成(图3中省略了部分晶体管)，第二电流镜输入单元由1个PMOS晶体管M412组成，第三模拟开关由12个PMOS晶体管M500-M511组成(图3中省略了部分晶体管)，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的源极、第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的源极均接电源，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的漏极依次与第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的源极相连，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的栅极和第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的栅极连接在一起，并与第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的漏极相连，最后一并接到参考电流输入端Iref；第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的栅极分别与输入电流DAC单元的12位数字信号相连，第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的漏极连接到一起，并接到电流DAC单元的电流输出端。
本发明实施例的原理详细阐述如下：
参见图2所示，电流放大器中9个NMOS晶体管M20-M28组成的第一电流镜输入单元与NMOS晶体管M19组成的第一电流镜输出单元构成镜像关系，将通过9个NMOS晶体管M20-M28组成的电流镜组的总电流按比例放大并通过NMOS晶体管M19输出，M10-M18等9个NMOS晶体管、M30-M38等9个NMOS晶体管分别构成第一模拟开关、第二模拟开关，分别由输入的9位数字信号控制。
9个NMOS晶体管M20-M28的沟道长度相同，但沟道宽度需要满足以下等式(即按照加倍比例增长)的要求，以满足比例变换的效果：
M20：M21：M22：M23：M24：M25：M26：M27：M28＝1：2：4：8：16：32：64：128：1
同时，为提高电流镜的匹配度，9个NMOS晶体管M10-M18以及9个NMOS晶体管M30-M38的沟道宽度也应当满足以下比例关系：
M10：M11：M12：M13：M14：M15：M16：M17：M18
＝M30：M31：M32：M33：M34：M35：M36：M37：M38
＝1：2：4：8：16：32：64：128：1
当9位数字信号控制不同的组合开关时，电流放大器能按照不同的放大率输出不同的电流，以符合不同量程选择的要求。
参见图3所示，电流DAC单元中12个PMOS晶体管M400-M411组成的第二电流镜输出单元与PMOS晶体管M412组成的第二电流镜输入单元构成镜像关系，将流过PMOS晶体管M412的参考电流Iref按比例放大并输出；12个PMOS晶体管M500-M51构成第三模拟开关，分别由输入的12位数字信号控制，当12位数字中的某一位或多位为逻辑0时，相应的模拟开关导通，使得12个PMOS晶体管M400-M411中相应的PMOS晶体管导通，并将镜像的电流输出到电流DAC单元的电流输出端。
13个PMOSPMOS晶体管M400-M412的沟道长度相同，但沟道宽度需要满足以下等式(即按照加倍比例增长)的要求，以满足加权输出的效果：
M400：M401：M402：…：M410：M411：M412＝1：2：4：…：1024：2048：1。
同时，为提高电流镜的匹配度，12个PMOS晶体管M500-511的沟道宽度也应当满足以下比例关系：
M500：M501：M502：…：M510：M511＝1：2：4：…：1024：2048。
当输入信号的范围不同时，量程的选择由数字信号处理单元来完成，具体过程如下：先选择最大量程(1/4乘数对应量程)，采样一次；再根据量程选择条件选择合适的量程，精确采样后输出转换结果。
根据量程选择条件选择合适的量程的方法具体如下表所示：
因此，上述量程切换算法根据输入信号的电平不同，能够在12位A/D(Analog/Digital，模拟/数字)转换的基础上，将信号放大或者缩小若干倍，放大比例在1/4倍到64倍之间，等效于增加8位的动态范围。放大后的信号再做精确采样，能够大幅度提高最终输出转换结果的精度。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：包括电流DAC单元、电流放大器、参考电压端口Vref、电压比较器、数字信号处理单元和译码器，电压比较器包括第一输入端、第二输入端和输出端，数字信号处理单元包括信号输入端、数据信号输出端和量程信号输出端，电压比较器的第一输入端与参考电压端口Vref相连，电压比较器的第二输入端分别与电流DAC单元的电流输出端、电流放大器的电流输出端相连，电压比较器的输出端与数字信号处理单元的信号输入端相连，数字信号处理单元的数据信号输出端输出12位数字信号，量程信号输出端输出9位数字信号，数字信号处理单元的数据信号输出端与电流DAC单元的数字信号输入端相连，将12位数字信号输入到电流DAC单元，数字信号处理单元的量程信号输出端分别与电流放大器的数字信号输入端、译码器的数字信号输入端相连，将9位数字信号分别输入到电流放大器、译码器，其中：
电流DAC单元，用于：将12位的数字量转换为模拟量，并将模拟量输出到电压比较器；
电压比较器，用于：将电流比较的结果转换成一位二进制数据，输出到数字信号处理单元；
数字信号处理单元，用于：输出量程控制数据Irate[8:0]至电流放大器、译码器；控制电流DAC单元和电流放大器的数据输入；完成量程的选择：先选择最大量程：1/4乘数对应量程，采样一次；再根据量程选择条件选择合适的量程，精确采样后输出转换结果：12位的有效数字信号ADdate[11:0]；
电流放大器，用于：根据数字信号处理单元输入的量程控制数据Irate[8:0]，将输入信号Iin放大到合适的值，与电流DAC单元的输出电流进行比较；
译码器，用于：将数字信号处理单元产生的量程控制数据Irate[8:0]转换成4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]，所述4位数字信号的量程信息ADpow[3:0]与数字信号处理单元输出的12位的有效数字信号ADdate[11:0]组合，共同形成所述电流ADC电路转换完成的最终精确转换结果。
2.如权利要求1所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述电流放大器包括被转换的电流信号输入端Iin、第一模拟开关、第一电流镜输入单元、第一电流镜输出单元、第二模拟开关，第一模拟开关由9个NMOS晶体管M10-M18组成，第一电流镜输出单元由1个NMOS晶体管M19构成，第一电流镜输入单元由9个NMOS晶体管M20-M28组成，第二模拟开关由9个NMOS晶体管M30-M38组成，第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28各自的栅极和漏极接在一起，源极均接地；第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28的漏极依次与第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的源极相连；第一电流镜输入单元中9个NMOS晶体管M20-M28的栅极依次与第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的漏极相连；第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的漏极全部连接在一起，还与电流放大器中被转换的电流信号输入端Iin相连；第一模拟开关中9个NMOS晶体管M10-M18的栅极依次与第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的栅极相连，还依次与输入电流放大器的9位数字信号相连；第二模拟开关中9个NMOS晶体管M30-M38的源极全部连接在一起，还与第一电流镜输出单元中NMOS晶体管M19的栅极相连，第一电流镜输出单元中NMOS晶体管M19的源极接地，NMOS晶体管M19的漏极与电流放大器的电流输出端相连。
3.如权利要求2所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述电流DAC单元还包括参考电流输入端Iref、第二电流镜输出单元、第二电流镜输入单元和第三模拟开关，第二电流镜输出单元由12个PMOS晶体管M400-M411组成，第二电流镜输入单元由1个PMOS晶体管M412组成，第三模拟开关由12个PMOS晶体管M500-M511组成，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的源极、第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的源极均接电源，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的漏极依次与第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的源极相连，第二电流镜输出单元中12个PMOS晶体管M400-M411的栅极和第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的栅极连接在一起，并与第二电流镜输入单元中PMOS晶体管M412的漏极相连，最后一并接到参考电流输入端Iref；第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的栅极分别与输入电流DAC单元的12位数字信号相连，第三模拟开关中12个PMOS晶体管M500-M511的漏极连接到一起，并接到电流DAC单元的电流输出端。
4.如权利要求3所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述电流放大器中9个NMOS晶体管M20-M28组成的第一电流镜输入单元与NMOS晶体管M19组成的第一电流镜输出单元构成镜像关系，将通过9个NMOS晶体管M20-M28组成的电流镜组的总电流按比例放大并通过NMOS晶体管M19输出；9个NMOS晶体管M10-M18、9个NMOS晶体管M30-M38分别构成第一模拟开关、第二模拟开关，分别由输入的9位数字信号控制。
5.如权利要求4所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述9个NMOS晶体管M20-M28的沟道长度相同，沟道宽度满足以下等式的要求，以满足比例变换的效果：
M20：M21：M22：M23：M24：M25：M26：M27：M28＝1：2：4：8：16：32：64：128：1。
6.如权利要求5所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述NMOS晶体管M10-M18、M30-M38的沟道宽度满足以下比例关系：
M10：M11：M12：M13：M14：M15：M16：M17：M18
＝M30：M31：M32：M33：M34：M35：M36：M37：M38
＝1：2：4：8：16：32：64：128：1。
7.如权利要求6所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述电流DAC单元中12个PMOS晶体管M400-M411组成的第二电流镜输出单元与PMOS晶体管M412组成的第二电流镜输入单元构成镜像关系，将流过PMOS晶体管M412的参考电流Iref按比例放大并输出；12个PMOS晶体管M500-M511构成第三模拟开关，分别由输入的12位数字信号控制，当12位数字中的某一位或多位为逻辑0时，相应的模拟开关导通，使得12个PMOS晶体管M400-M411中相应的PMOS晶体管导通，并将镜像的电流输出到电流DAC单元的电流输出端。
8.如权利要求7所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述PMOS晶体管M400-M412的沟道长度相同，沟道宽度满足以下等式的要求，以满足加权输出的效果：
M400：M401：M402：…：M410：M411：M412＝1：2：4：…：1024：2048：1。
9.如权利要求8所述的自适应量程的电流ADC电路，其特征在于：所述12个PMOS晶体管M500-511的沟道宽度满足以下比例关系：M500：M501：M502：…：M510：M511＝1：2：4：…：1024：2048。
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