CN103997343A - 基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数模混合集成电路设计领域，为相比于传统模数转换器，在保持对模拟电路精度和匹配度较低要求的前提下，大幅缩短模数转换所需要的时间，实现在高速情况的模数转换。为此，本发明采取的技术方案是，基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器，由N级子模数转换器组成，每个子模数转换器有两种状态：用于对输入信号进行采样的转换状态和进行输出的保持状态；电压输出到第二级子模数转换器；第二级子模数转换器处于转换状态，采样完毕后进入保持状态，电压输出到第三级子模数转换器；依次类推，直到第N个子模数转换器；累加结果就是整个模数转换器的输出。本发明主要应用于数模混合集成电路设计。

Description

基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器

技术领域

本发明涉及数模混合集成电路设计领域，特别涉及模拟数字转换器的设计及电路实现。具体讲，涉及基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器。

技术背景

sigma-delta模数转换器对于电路匹配度和模拟电路的指标要求较低，但是它的速度较低，不能用于高速模数转换领域。因为对于1阶sigma-delta模数转换器，若需要10位转换精度，至少需要电路工作2¹⁰即1024个周期，如果采用高阶结构，所需转换时间则会减少，但是无论是一阶还是高阶结构，在转换越高精度的数据时，所需要的转换时间将增加。

在需要高速模拟数字转换器的场合，通常采用流水线型模数转换器、算法型模数转换器和快闪型模数转换器。快闪型模数转换器需要的硬件多，获得n位分辨率需要2ⁿ个比较器，在较高位数时需要的面积和功耗很大。循环型模数转换器和流水线型模数转换器是速度较快的模数转换器，但它们的精度因为依靠集成电路中器件匹配度而受到了限制，同时也对模拟电路的指标提出了更高的要求。

因此，使用sigma-delta模数转换器可以降低对模拟电路精度和匹配度的要求，然而其转换速度慢的特点限制了其在高速情况下的应用。本发明通过将Sigma-Delta模数转换器的基本原理应用在高速情况下，以在高速模数转换时获得其优势。

发明内容

为克服现有技术的不足，相比于传统的sigma-delta模数转换器，在保持对模拟电路精度和匹配度较低要求的前提下，大幅缩短模数转换所需要的时间，使其可以应用在高速情况的模数转换。为此，本发明采取的技术方案是，基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器，由N级子模数转换器组成，每个子模数转换器有两种状态：用于对输入信号进行采样的转换状态和进行输出的保持状态；输入信号输入第一级子模数转换器中，此时第一级子模数转换器处于转换状态，采样完毕后进入保持状态，电压输出到第二级子模数转换器；第二级子模数转换器处于转换状态，采样完毕后进入保持状态，电压输出到第三级子模数转换器；依次类推，直到第N个子模数转换器；N级子模数转换器的数字输出均输入累加器进行按位累加，第一级子模数转换器的输出作为最高位，第二级子模数转换器的输出作为次高位，依次类推，累加结果就是整个模数转换器的输出。

子模数转换器结构为：输入信号依次经联动开关S1中第一个开关、采样电容、联动开关S2中第一个开关进入放大器反相输入端；放大器输出经并联的反馈电容、开关S3反馈回反相输入端；放大器输出端依次经1位模数转换器、计数器进行输出；1位模数转换器输出还通过1位数模转换器、联动开关S2中第二个开关连接到采样电容输入端；采样电容输出端经联动开关S1中第二个开关连接至中心电压V_cm；放大器同相输入端连接至中心电压V_cm。

子模数转换器结构内部连接关系进一步具体为：首先联动开关S1导通，联动开关S2断开，开关S3导通，此时采样电容C1上积累电荷，同时积分电容C2上积累的电压清零，然后，联动开关S1断开，联动开关S2导通，开关S3断开，采样电容C1上的电荷转移到积分电容C2上，完成一次积分过程；然后保持开关S3断开，轮流导通联动开关S1和联动开关S2，对输入信号进行积分；

在保持状态下，子模数转换器的工作状态类似于采样保持电路：联动开关S1、联动开关S2、开关S3均保持断开。运放输出电压保持不变，从Vout输出，为下一级子模数转换器提供输入电压。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

使用本发明的电路结构，在对模拟电路精度和匹配度的要求较低的情况下，可以实现快速的模数转换。

本发明针对sigma-delta型模数转换器在高精度下转换时间较长的问题，采用分布转换的方式，将所需精度分为三部分，分别用类似一阶sigma-delta模数转换器的子模数转换器完成。若采用传统的一阶sigma-delta模数转换器，实现12位精度，至少需4096个时钟周期。若采用本发明的结构，在使用三级结构的情况下，每一级得到4位精度，每32个时钟周期就可以转换一个数据。

附图说明

图1模数转换器结构图。

图2子模数转换器电路图。

图3控制开关时序图。

具体实施方式

本发明提出使用级联结构进行模数转换，每一级子模数转换器是一个低位数的一阶sigma-delta调制器，多级子模数转换器进行级联，每一级分别交替工作在转换阶段和保持阶段。

以下以三个子模数转换器的级联进行说明。实际实施中，可以使用不同级数的子模数转换器。输入信号输入第一级子模数转换器中，第一级子模数转换器的电压输出输入第二级子模数转换器，第二级子模数转换器的输出输入第三级子模数转换器。三级子模数转换器的数字输出均输入累加器进行按位累加，第一级子模数转换器的输出作为高位，第二级子模数转换器的输出作为中间位，第三级子模数转换器的输出作为低位，累加结果就是整个模数转换器的输出。电路结构如图1所示。

每级子模数转换器的结构相同，电路结构如图2所示。子模数转换器由以下几部分组成：运算放大器、采样电容C1、积分电容C2、联动开关S1S2、开关S3、1位ADC、1位DAC和计数器。S1控制输入V_in到采样电容C1的连接以及采样电容C1到中心电平V_cm的连接，S₂控制1位DAC输出到采样电容C₁的连接以及采样电容C1到积分电容C2和运放负输入端的连接，S3控制积分电容C2两端的连接，运放的输入负端和输出分别接积分电容C2两端的连接，运放输入正端接中心电平V_cm，运放输出连接到1位ADC的输入同时作为子模数转换器的电压输出V_out，1位ADC的输出连接到计数器的输出和1位DAC的输入，计数器的输出为子模数转换器的数字输出D_out。

每一级的子模数转换器都有两种工作状态：转换状态和保持状态。转换状态和保持状态的时序图如图3所示。

在转换状态下，子模数转换器的工作状态类似于sigma-delta模数转换器：首先联动开关S1导通，联动开关S2断开，开关S3导通。此时采样电容C1上积累电荷，同时积分电容C2上积累的电压清零。然后，联动开关S1断开，联动开关S2导通，开关S3断开，采样电容C1上的电荷转移到积分电容C2上，完成一次积分过程。然后保持开关S3断开，轮流导通联动开关S1和联动开关S2，对输入信号进行积分。

在保持状态下，子模数转换器的工作状态类似于采样保持电路：联动开关S1、联动开关S2、开关S3均保持断开。运放输出电压保持不变，从Vout输出，为下一级子模数转换器提供输入电压。

电路整体工作过程如下：首先，是第一种工作状态，第一个子模数转换器进入转换状态，从输入电压进行采样，并得到4位转换结果，此时第二个和第三个模数转换器分别处于保持状态和转换状态，第二个子模数转换器的电压输出Vout给第三个子模数转换器提供输入电压。然后，是第二类种工作状态，第一个子模数转换器进入保持状态，它的输出提供给第二个子模数转换器，第二个子模数转换器进入转换状态，得到下4位转换结果。此时第三个子模数转换器处于保持状态。之后回到第一种状态，第二个子模数转换器的输出电压提供给第三个子模数转换器进行转换，得到后4位转换结果。经过三个工作状态，将这三个转换结果按位合并，可以得到最终的12位转换结果。这样，每经过一次这两类工作状态，就可以得到一次输入的转换结果。

下面以单端和三级电路为例说明本发明的具体实施方案，在实际实施中，电路也可以是差动形式或采用更高的级联数。

输入信号的范围为0-5V，中心电压V_cm＝2.5V，使用C1和C2的电容分别为0.5pf和1pf。首先，输入信号输入第一级子模数转换器，第一级模数转换器进入转换阶段。联动开关S1闭合，S2打开，采样电容上积累(V_in-V_cm)*C1的电荷。同时开关S3闭合，积分电容上积累的电荷清零，输出点电压等于中心电压V_out＝2.5V。然后联动开关S1和S3打开，联动开关S2闭合，采样电容上积累的电荷(V_in-V_cm)*C1转移到了积分电容上，当输入电压为3.5V时，输出点V_out的电压改变了(V_in-V_cm)*C1/C2＝0.5V。电路完成一次积分过程，同时1位ADC将输出点电压与中心电平比较，输出高电平1。当1位ADC输出分为1和0时，1位DAC输出分别为5V和0V，这是加到采样电容上的负反馈。之后重复以上过程，不同的是，开关S3保持打开状态，不再对积分电容清零。这个过程进行2⁴＝16个周期，1位ADC的输出经过计数器得到4位量化数字输出。

之后，第一个子模数转换器进入保持状态，它的输出提供给第二个子模数转换器，第二个子模数转换器进入转换状态，得到4位转换结果。最后，第二个子模数转换器处于保持状态，它的输出提供给第三个子模数转换器得到4位转换结果。与此同时，新的数据已经输入第一个子模数转换器进行转换。这样，每经过32个周期，就可以得到一个12位的模数转换结果。

Claims (3)

1.一种基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器，其特征是，由N级子模数转换器组成，每个子模数转换器有两种状态：用于对输入信号进行采样的转换状态和进行输出的保持状态；输入信号输入第一级子模数转换器中，此时第一级子模数转换器处于转换状态，采样完毕后进入保持状态，电压输出到第二级子模数转换器；第二级子模数转换器处于转换状态，采样完毕后进入保持状态，电压输出到第三级子模数转换器；依次类推，直到第N个子模数转换器；N级子模数转换器的数字输出均输入累加器进行按位累加，第一级子模数转换器的输出作为最高位，第二级子模数转换器的输出作为次高位，依次类推，累加结果就是整个模数转换器的输出。

2.如权利要求1所述的基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器，其特征是，子模数转换器结构为：输入信号依次经联动开关S1中第一个开关、采样电容、联动开关S2中第一个开关进入放大器反相输入端；放大器输出经并联的反馈电容、开关S3反馈回反相输入端；放大器输出端依次经1位模数转换器、计数器进行输出；1位模数转换器输出还通过1位数模转换器、联动开关S2中第二个开关连接到采样电容输入端；采样电容输出端经联动开关S1中第二个开关连接至中心电压V_cm；放大器同相输入端连接至中心电压V_cm。

3.如权利要求1所述的基于sigma-delta结构的快速高精度模数转换器，其特征是，子模数转换器结构内部连接关系进一步具体为：首先联动开关S1导通，联动开关S2断开，开关S3导通，此时采样电容C1上积累电荷，同时积分电容C2上积累的电压清零，然后，联动开关S1断开，联动开关S2导通，开关S3断开，采样电容C1上的电荷转移到积分电容C2上，完成一次积分过程；然后保持开关S3断开，轮流导通联动开关S1和联动开关S2，对输入信号进行积分；

在保持状态下，子模数转换器的工作状态类似于采样保持电路：联动开关S1、联动开关S2、开关S3均保持断开。运放输出电压保持不变，从Vout输出，为下一级子模数转换器提供输入电压。