CN103532557A - 一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其包括采样电路、电阻分压电路、基于压控振荡器的比较器、D触发器以及优先编码器，其中，输入电压信号输入到该采样电路中，而后由该采样电路将该输入电压信号传输到各个该基于压控振荡器的比较器的输入正端，参考电压信号经过该电阻分压电路的电阻分压后的参考电压分别接到相应的该基于压控振荡器的比较器的输入负端，各个该基于压控振荡器的比较器的输出连接到该D触发器的数据输入端，各个该D触发器的输出端再连接到该优先编码器中进行编码后输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种模数转换器，特别是指一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其输出结果可靠性高，适用于低压、高速模数转换器。
背景技术
当前，随着通信技术和网络信息技术的快速发展，模数转化器朝着低压、低功耗、高速、高精度的方向发展。模数转换器的类型按照采样频率和系统带宽可以分为奈奎斯特模数转换器和过采样模数转换器。奈奎斯特模数转换器又可以分为逐次逼近模数转化器(SAR ADC)，全并行模数转换器(FLASH ADC)，流水线模数转化器(Pipeline ADC)等。其中全并行模数转化器(FLASH ADC)的速度最快，但是分辨率和比较器的数量成指数关系，面积和功耗比较大。随着CMOS工艺尺寸普遍进入深亚微米时代（130nm，90nm，65nm等），传统的比较器很难在低电源电压（低于1.8V）条件下满足高速度的要求，而且传统的比较器由于其亚稳态和失配容易引发闪烁码，导致输出不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服传统比较器低电源电压不易于设计，抗噪声能力差，输出不稳定的缺点，提出一种基于压控振荡器的比较器的，新的全并行模数转化器结构。
本发明所采取的技术方案是：一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其包括采样电路、电阻分压电路、基于压控振荡器的比较器、D触发器以及优先编码器，其中，输入电压信号输入到该采样电路中，而后由该采样电路将该输入电压信号传输到各个该基于压控振荡器的比较器的输入正端，参考电压信号经过该电阻分压电路的电阻分压后的参考电压分别接到相应的该基于压控振荡器的比较器的输入负端，各个该基于压控振荡器的比较器的输出连接到该D触发器的数据输入端，各个该D触发器的输出端再连接到该优先编码器中进行编码后输出。
该基于压控振荡器的比较器的正端连接第一压控振荡器的控制电压端，该基于压控振荡器的比较器的负端连接第二压控振荡器的控制电压端，该第一压控振荡器与第二压控振荡器的参数相同，该第一压控振荡器的第一输出频率以及该第二压控振荡器的第二输出频率分别接入鉴频器的输入端口，该鉴频器的输出端口接电荷泵的控制端口，该电荷泵根据该鉴频器的控制信号和复位控制信号对与该电荷泵相连接的电容进行充电和放电，该电容电压通过两个反相器输出最后比较的结果。
该基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，将该输入电压信号以及该参考电压信号先通过该采样电路进行采样保持后，再通过该第一、第二压控振荡器转化为频率信号，再将输出电压信号所产生的该第一、第二输出频率信号分别与该参考电压信号所产生的频率信号进行比较，比较后的各个输出信号接到该D触发器，最后该D触发器的输出通过该优先编码器进行编码输出。
该电阻分压电路是由2n个相等的多晶硅电阻构成电阻阵列，其作用是将该参考电压信号分成2n-1等分的参考电压，其中n为量化位数。
该第一压控振荡器以及该第二压控振荡器由环形振荡器来实现，其将输入的电压信号转化为频率信号，输入的信号越大，该第一、第二压控振荡器的输出的震荡频率越高，对于该第一、第二压控振荡器只要求其输出频率随着输入的电压信号单调增加。
该D触发器的作用是将该基于压控振荡器的比较器的输出锁存到该D触发器中，由于该电荷泵对该电容的充电和放电需要一定的时间，所以该D触发器的触发时钟与该采样电路的时钟间隔半个时钟周期。
本发明在具体实施的时候，该电阻分压电路的电阻阵列为8个相同的多晶硅电阻，7个该参考电压信号分别连接到7个带复位控制的该基于压控振荡器的比较器的负端输入，该输入电压信号通过该采样电路接到7个该基于压控振荡器的比较器的正端，该基于压控振荡器的比较器的输出结果通过7个该D触发器接到该优先编码器当中进行编码后输出。
本发明的有益效果为：本发明提出的基于压控振荡器的比较器的全并行性模数转化器并不是直接比较输入电压信号和参考电压信号来量化的，而是将输入电压信号和参考电压信号先通过采样电路进行采样保持后，通过压控振荡器转化为频率信号，再将输出电压信号所产生的频率信号分别与参考电压信号所产生的频率信号进行比较，比较后的各个输出信号接到D触发器，最后D触发器的输出通过优先编码器进行编码输出。因为压控振荡器的输出频率信号可以利用数字电路进行处理，故具有较好的抗噪声能力，由于鉴频器和电荷泵输出的比较结果只能取高电平或者低电平，故输出的亚稳态得到较好的控制，量化的输出结果可靠度高。
附图说明
图1是基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器系统框图。
图2是基于压控振荡器的比较器的结构图。
图3是压控振荡器的结构图。
图4是鉴频器的结构图。
图5是电荷泵的结构图。
图6是本发明的实例输出信号的时域量化波形图。
图7是本发明的实例输出信号的行为级仿真输出频谱。
具体实施方式
如图1至7，本发明提出的基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器系统框图，如附图1所示，该模数转换器的结构包括采样电路，电阻分压电路，基于压控振荡器的比较器，D触发器和优先编码器。其具体结构如下：输入电压信号VIN连接采样电路，然后连接到各个基于压控振荡器的比较器的输入正端，参考电压信号VREF经过电阻分压后的参考电压V1、V2至Vn分别接到相应的带复位控制信号的压控振荡器的比较器的输入负端，各个比较器的输出连接到D触发器的数据输入端，D触发器的输出端再接到优先编码器进行编码后输出。
带复位控制的基于压控振荡器的比较器的结构，如附图2所示，比较器的正端接压控振荡器(VCO1)的控制电压端，比较器的负端接压控振荡器(VCO2)的控制电压端，压控振荡器(VCO1)和压控振荡器(VCO2)的参数相同，输出频率(Fre1)和输出频率(Fre2)分别接入鉴频器(PDF)的输入端口(Fre1和Fre2)，鉴频器(PDF)的输出端口(UP和DN)接电荷泵的控制端口(UP和DN)，电荷泵根据鉴频器的控制信号和复位控制信号对电容进行充电和放电，电容电压通过两个反相器输出最后比较的结果，CLKN为复位控制信号，接到复位开关管的栅极。
本发明提出的基于压控振荡器的比较器的全并行性模数转化器并不是直接比较输入电压信号和参考电压信号来量化的，而是将输入电压信号和参考电压信号先通过采样电路进行采样保持后，通过压控振荡器转化为频率信号，再将输出电压信号所产生的频率信号分别与参考电压信号所产生的频率信号进行比较，比较后的各个输出信号接到D触发器，最后D触发器的输出通过优先编码器进行编码输出。因为压控振荡器的输出频率信号可以利用数字电路进行处理，故具有较好的抗噪声能力，由于鉴频器和电荷泵输出的比较结果只能取高电平或者低电平，故输出的亚稳态得到较好的控制，量化的输出结果可靠度高。
以下对本发明提出的基于压控振荡器的比较器的模数转化器的系统和各个模块做一一介绍：
本发明见附图1，其中附图1中的分压电路，是由2n个相等的多晶硅电阻构成电阻阵列，其作用是将参考电压VREF分成2n-1等分的参考电压，其中n为量化位数。
附图1中的采样电路的作用主要是采样和保持，使得输入信号连接的压控振荡器所产生的频率能够被正确地比较量化出来，以减小量化误差。采样时钟CLKN也为后面基于压控振荡器的比较器的复位控制端提供复位信号。
附图1中的基于压控振荡器的比较器的主要作用是将采样保持后的输入电压信号和参考电压信号，通过压控振荡器转化成相应的频率信号，然后将两个转化后的频率信号接到鉴频器当中进行比较，鉴频器的输出连接电荷泵，控制电荷泵对负载电容Cap的充电和放电，以其来实现电压信号的比较。
两个相同的压控振荡器可以由环形振荡器来实现，其具体结构见附图3，其作用主要是将输入的电压信号转化为频率信号。输入的信号越大，压控振荡器的输出的震荡频率越高。对于压控振荡器只要求其输出频率随着输入的电压信号单调增加，并没有要求其随着电压信号线性增加，减小了设计的难度，即使在低压电路设计中也是比较容易可以实现。
对于鉴频器，其作用是比较两个频率的大小，并输出电荷泵的控制信号。当频率1(Fre1)大于频率2(Fre2)的时候，鉴频器输出DN为高的平均有效开关电平宽度大于其输出UP为高的平均有效开关电平宽度。当频率1(Fre1)小于频率2(Fre2)的时候，鉴频器输出DN为高的平均有效开关电平宽度小于其输出UP为高的平均有效开关电平宽度。鉴频器的结构可以由RS锁存器、与非门、反相器及传输门构成，如附图4所示。
附图2中的电荷泵的作用是根据前面鉴频器输出的UP和DN的平均脉冲宽度对电容进行充电以及放电。当UP输出为低，DN输出为低，并且此时的复位控制信号CLKN为低电平时，PMOS开关管导通，NMOS开关管截止，输出电容充电；当DN输出为高，UP输出为低，并且CLKN为低电平时，NMOS开关管导通，PMOS开关管截止，输出电容放电；当UP输出为低，DN输出为高，并且CLKN为低电平时，开关管都导通，电流不流经电容，电容电压保持恒定；当UP输出为高，DN输出为低，CLKN为低电平时，开关管都截止，电容电压也保持恒定；当CLKN为高电平时，负载电容放电，输出电压复位为零。输出电容电压再经过两级反向器得到最后比较器的输出。
D触发器的作用是将基于压控振荡器的比较器的输出锁存到D触发器中。由于电荷泵对电容的充电和放电需要一定的时间，故将D触发器的时钟延迟了半个时钟周期。这也就是采样电路的时钟和比较器的复位控制信号要用CKLN的原因。
优先编码器的作用是将D触发器的输出进行编码后输出量化输出信号。
以下结合上文对系统结构和各个模块功能的描述，着重分析本发明基于压控振荡器的比较器的全并行模数转化器的原理，及本发明的理论依据。
本发明主要提出了一种新的利用频率进行量化的全并行模数转换器的结构。本发明的工作过程主要分为两步：1，将参考电压信号通过电阻阵列分成2n-1个参考电压信号，每个参考电压信号相差 
；2，将电压信号通过压控振荡器转化为频率信号并且比较出两种频率的大小。
参考电压信号通过电阻阵列分成2n-1个参考电压信号的原理就是简单的分压原理。只需要将2n个相同的多晶硅电阻串联起来，由欧姆定律可知其能够实现分压功能。
下面着重介绍电压转换成频率并进行比较的原理。
首先，需要将电压信号转化成与其一一对应的频率信号，这可以通过环形振荡器来实现。若环形振荡器的输出频率为Fre，控制电压为V，则振荡器的频率输出Fre可以表示为
Fre=F(V) (1)
其中
为压控振荡器的电压-频率函数。只要F(V)是单值函数，由公式(1)可以得知，电压信号和频率信号是一一对应的关系。要实现电压信号越大频率信号越大，则还需要F(V)为单调递增函数。这两个条件即使在低压下也可以很容易地实现。而且，由于压控振荡器的增益可以做到非常高，即使所比较的电压信号相差不大，经过压控振荡器之后也可以变成相差较大的频率信号。
然后，要将频率信号比较出来，这可以用鉴频器和电荷泵来实现。当比较器复位控制信号CLKN无效的时候，若鉴频器的输入端Fre1的频率小于Fre2的频率，输出DN有较宽的有效开关电平宽度而输出UP只有窄的复位延时的时间为低电平。电荷泵因此将对电容以恒定电流I进行放电，直到电容Cap两端电压为0，才停止放电。同理，当频率Fre1小于Fre2时，输出DN只有窄的高电平的复位脉冲宽度而输出UP有较宽的低电平有效开关电平宽度，若复位控制信号无效，电荷泵将对电容以恒定电流I进行充电，直到电容Cap的电压为VDD，或者复位控制信号有效时才停止。单位时间电容所变化的电压如下面(2)式所决定：
其中ΔV是电容变化的电压，单位为伏特，Δt为电容充放电的时间，单位为秒，I为充放电电流，单位为安培，C为电荷泵负载电容单位为法拉。当负载电容C为50fF，电源电压为1V，充电电流为10uA时，从0充电到电源电压所用的充电时间为5ns.
由上面的分析可知，当输入的采样保持电压信号V1大于参考电压的信号VN时，压控振荡器的输出有Fre1大于Fre2，电荷泵将在采样时钟为低的情况下，将负载电容充电到高电平，并在采样时钟的下降沿将比较器的比较输出值锁存到D触发器当中；反之，当输入的采样保持电压信号V1小于参考电压的信号VN时，压控振荡器的输出有Fre1小于Fre2，电荷泵将对负载电容进行放电，比较结果输出为低电平，同样在采样时钟的下降沿将比较器的比较输出值锁存到D触发器当中。要提高比较器的速度，只需要适当地增大电荷泵的充电电流。
综上所述，基于压控振荡器的比较器可以较快的输出比较结果，并且由于在压控振荡器的输出信号开始，电路处理的信号就基本上是可以近似为数字信号的大摆幅信号，故电路的抗噪声能力较强，基本消除了亚稳态输出。因为输入信号的量化过程能够设计在一个时钟内完成，故所发明的基于压控振荡器的比较器的全并行模数转化器的速度可以做到比较快。
对本发明提出的一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，结合附图1，通过一个实例和仿真结果对其进一步描述，但是不构成对本发明的限制。
首先确定模数转换器的系统指标：6M带宽，信号失真比(SNDR)大于16dB, 时钟频率为24MHz。
模数转化器的结构采用附图2的基于压控振荡器比较器的模数转化器的结构，其中电阻阵列利用8个相同的多晶硅电阻串联组成。
压控振荡器的比较器使用的结构如附图2所示。压控振荡器采用三级环形振荡器，如附图3所示；鉴频器采用附图4所示结构；电荷泵采用附图5所示的结构。
压控振荡器的目的是使输入的电压信号与输出震荡频率一一对应起来，环形振荡器的增益越大，比较器的分辨率越高。本例中采用三级环形振荡器，主要是考虑到比较器对环形振荡器的输出频率的线性度不做要求，只是对单调性有要求，为了使电路面积较小故选择三级的环形振荡器。
鉴频器的可由传统的数字电路构成，由于鉴频器处理的是数字信号，故系统的抗噪声能力很强，管子的宽长比可以用最小尺寸。
比较器的输出模块由电荷泵构成，如附图5，若采样时钟频率为24Mhz，电路的比较需要在半个时钟内完成，并在时钟的下降沿由D触发器输出到优先编码器中。因此，比较的结果必须在166ns内完成。因为电荷泵并不是一直充电或者放电，而是根据鉴频器的控制脉冲来工作的，因此实际充电到电源电压的时间可能需要充电时间的6-8倍，考虑到若压控振荡器的控制电压比较低，输出的频率也比较低的情况下，充电的时间可能要长一点。故将电荷泵的充电电流设为10uA，输出电容设为20fF。实际上输出电压不需要充电到电源电压，只需要到反相器的翻转电压即可识别为高电平。
当输入信号为1Mhz的正弦信号时的量化输出时域波形图如附图6所示。从图中可以看出模数转换器的功能是正确的，说明基于压控振荡器的比较器的模数转换器能够正确量化波形。
为较为精确的测试系统的信号失真比，给模数转换器输入900KHz的正弦波信号，输出的量化信号的频谱如附图7所示。由Matlab软件进行频谱分析计算得到，该量化输出的信噪比(SNR)为18dB,信号失真比(SNDR)为17dB.
综上所述，本基于压控振荡器的比较器的模数转换器能够正常实现信号的量化功能，并且该发明具有可用于低压设计，较强的抗噪声能力，可靠性高，较快的比较判决时间等优点，可以运用于低压、高速的模拟到数字的转化当中。
Claims (6)
1.一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其特征在于：包括采样电路、电阻分压电路、基于压控振荡器的比较器、D触发器以及优先编码器，其中，输入电压信号输入到该采样电路中，而后由该采样电路将该输入电压信号传输到各个该基于压控振荡器的比较器的输入正端，参考电压信号经过该电阻分压电路的电阻分压后的参考电压分别接到相应的该基于压控振荡器的比较器的输入负端，各个该基于压控振荡器的比较器的输出连接到该D触发器的数据输入端，各个该D触发器的输出端再连接到该优先编码器中进行编码后输出。
2.如权利要求1所述的一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其特征在于：该基于压控振荡器的比较器的正端连接第一压控振荡器的控制电压端，该基于压控振荡器的比较器的负端连接第二压控振荡器的控制电压端，该第一压控振荡器与第二压控振荡器的参数相同，该第一压控振荡器的第一输出频率以及该第二压控振荡器的第二输出频率分别接入鉴频器的输入端口，该鉴频器的输出端口接电荷泵的控制端口，该电荷泵根据该鉴频器的控制信号和复位控制信号对与该电荷泵相连接的电容进行充电和放电，该电容电压通过两个反相器输出最后比较的结果，
该基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，将该输入电压信号以及该参考电压信号先通过该采样电路进行采样保持后，再通过该第一、第二压控振荡器转化为频率信号，再将输出电压信号所产生的该第一、第二输出频率信号分别与该参考电压信号所产生的频率信号进行比较，比较后的各个输出信号接到该D触发器，最后该D触发器的输出通过该优先编码器进行编码输出。
3.如权利要求1所述的一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其特征在于：该电阻分压电路是由2n个相等的多晶硅电阻构成电阻阵列，其作用是将该参考电压信号分成2n-1等分的参考电压，其中n为量化位数。
4.如权利要求2所述的一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其特征在于：该第一压控振荡器以及该第二压控振荡器由环形振荡器来实现，其将输入的电压信号转化为频率信号，输入的信号越大，该第一、第二压控振荡器的输出的震荡频率越高，对于该第一、第二压控振荡器只要求其输出频率随着输入的电压信号单调增加。
5.如权利要求1所述的一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其特征在于：该D触发器的作用是将该基于压控振荡器的比较器的输出锁存到该D触发器中，由于该电荷泵对该电容的充电和放电需要一定的时间，所以该D触发器的触发时钟与该采样电路的时钟间隔半个时钟周期。
6.如权利要求1所述的一种基于压控振荡器的比较器的全并行模数转换器，其特征在于：该电阻分压电路的电阻阵列为8个相同的多晶硅电阻，7个该参考电压信号分别连接到7个带复位控制的该基于压控振荡器的比较器的负端输入，该输入电压信号通过该采样电路接到7个该基于压控振荡器的比较器的正端，该基于压控振荡器的比较器的输出结果通过7个该D触发器接到该优先编码器当中进行编码后输出。
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