CN104143980B - 具有改进的反馈的积分三角模数转换器 - Google Patents

Abstract

本公开提供具有改进的反馈的sigma‑delta模数转换器。sigma‑delta模数转换器包括输入跨导级，其提供与模拟输入电压成比例的模拟输入电流，以及电流求和级，其生成与模拟输入电流和反馈电流之间的差相对应的模拟误差信号。sigma‑delta模数转换器还包括前向信号路径，其处理模拟误差信号以提供与模拟输入电压相对应的数字输出信号。此外，sigma‑delta模数转换器包括反馈路径，其包括具有拉和灌电流源二者的电流舵数模转换器，其中由拉和灌电流源所提供的电流是可导引的并且经连接以基于数字输出信号直接提供反馈电流。还提供sigma‑delta模数转换器操作方法。

Description

具有改进的反馈的积分三角模数转换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年5月10日由Fontaine等人提交的、标题为“SIGMA-DELTAANALOG TO DIGITAL CONVERTER WITH IMPROVED FEEDBACK”的13/891,974号美国申请的权益，其与本申请共同受让并通过援引的方式在本文中加以合并。

技术领域

本申请总地涉及模数转换，并且，更具体地，涉及一种连续时间积分三角（sigma-delta）模数转换器和sigma-delta模数转换器操作方法。

背景技术

基于sigma-delta操作原理的模数转换器（ADC）要求至少一个反馈数模转换器（DAC），其用来抵消大部分ADC输入信号。因为直接与ADC输入有关的ADC的输出噪声一般决定ADC信噪比（SNR），所以该DAC是ADC的最关键部分。此外，与ADC输入级的任何误匹配会典型地造成增益误差。

跨导（Gm）一般可定义为输出电流的改变与相应控制输入电压的改变的比率。高速sigma-delta ADC一般依靠连续时间实现方案，其中跨导-电容（Gm/C）积分器是用于低电压和低噪声约束设计的主流解决方案。然而，Gm单元的输出噪声由其静态偏置电流决定，而输出信号有关电流是偏置电流的小部分。

使用由来自DAC的输出电压所驱动的Gm单元来实现主ADC反馈是主流并且直接的解决方案。相同类型的Gm单元可用于输入级和反馈DAC，确保由误匹配所引起的最小增益误差。然而，该方法提供产生的Gm静态电流的较高值以及因此输入噪声的较高值。

发明内容

本公开的实施例提供sigma-delta模数转换器和sigma-delta模数转换器操作方法。

在一个实施例中，sigma-delta模数转换器包括输入跨导级，其提供与模拟输入电压成比例的模拟输入电流，以及电流求和级，其生成与模拟输入电流和反馈电流之间的差相对应的模拟误差信号。sigma-delta模数转换器还包括前向信号路径，其处理模拟误差信号以提供与模拟输入电压相对应的数字输出信号。此外，sigma-delta模数转换器包括反馈路径，其包括具有拉和灌电流源二者的电流舵数模转换器，其中由拉和灌电流源所提供的电流是可导引的（steerable）并且经连接以基于数字输出信号直接提供反馈电流。

另一方面，本公开提供sigma-delta模数转换器操作方法。方法包括提供与模拟输入电压成比例的模拟输入电流以及生成与模拟输入电流和反馈电流之间的差相对应的模拟误差信号。方法还包括处理模拟误差信号以提供与模拟输入电压相对应的数字输出信号。此外，方法包括提供具有拉和灌电流源二者的电流舵数模转换器，其中来自拉和灌电流源的电流是可导引的并且经连接以基于数字输出信号直接提供反馈电流。

前述内容已概述本公开的优选和可替代特征，使得本领域技术人员可更好地理解本公开接下来的详细描述。将在下文中描述形成公开的权利要求主题的公开的附加特征。本领域技术人员应理解的是，他们可易于使用所公开的构思和具体实施例作为基础用于设计或修改用于实行本公开的相同目的的其他结构。

附图说明

现在将结合附图对接下来采取的描述进行参考，其中：

图1示出根据本公开的原理所构建的基于sigma-delta转换原理的ADC的框图；

图2示出根据本公开的原理所构建的ADC前端的实施例的另一幅图；

图3示出根据本公开的原理所构建的调谐结构的实施例的图；

图4示出根据本公开的原理所实行的sigma-delta ADC操作方法的实施例的流程图。

具体实施方式

本公开的实施例利用采用拉和灌电流源二者的电流舵DAC（即拉和灌电流舵（SSCS）DAC），其与常规解决方案相比较减少了噪声和静态电流的范围（area）二者。此外，控制环路通过迫使其输出电流等于参考电流来将输入Gm单元的跨导（Gm）锁定为目标值。该参考电流的拷贝用来偏置SSCS DAC，从而确保跨过程、电压和温度变化的恒定增益。

图1示出根据本公开的原理所构建的并且一般标明为100的基于sigma-delta转换原理的ADC的框图。ADC100的框图是简化表示，其旨在针对本公开的实施例作为一般表示并提供总体架构。可构建本公开的实施例以容纳单输入信号或差分输入信号对。ADC100包括输入求和结点（ISG）105、积分滤波器（环路滤波器）110、比较器（量化器）115和DAC120。

ADC输入模拟电压施加到ISG105的正输入106，并且来自DAC120的相应模拟反馈电压被提供到ISG105的负输入108，这致使模拟误差信号施加到积分滤波器110的输入。环路滤波器110是可从有源1/RC块或Gm/C块实现的积分器的级联。

图2示出根据本公开的原理所构建的、一般标明为200的ADC前端的实施例的另一幅图。ADC前端200是具有与差分信号相对应的正（P）和负（N）信号路径的sigma-delta ADC的不同实施例的表示，差分信号平衡在共模电位（common mode potential）周围。

ADC前端200是本公开的实施例，其组合由图1的输入求和结点105、积分滤波器110的第一级和DAC120所表示的功能。ADC前端200包括具有差分电压输入206P、206N和连接到正和负信号路径212P、212N的相应差分响应电流的输入Gm级205。

前端200还包括与积分滤波器的第一级相对应的输入级积分电容210，如关于图1一般所示的。这里，积分电容210作为用于与输入和反馈相关的电流的求和元件进行工作并包括第一和第二电容器C1a、C1b，其分别连接在正和负信号路径212P、212N和具有共模电位的共模路径212CM之间。可选地，与输入和反馈相关的电流是异相的并采用正和负电流求和节点214P、214N以提供跨输入级积分电容210的ADC误差信号。

此外，前端200包括具有耦连到共模级225的拉和灌电流舵（SSCS）DAC220的ADC反馈215。SSCS DAC220一般可包括一族位单元（例如图2中所示的三个温度计位单元，其是双二进制位DAC的表示）。当然，SSCS DAC220可仅包括指示单二进制位DAC的一个温度计位单元或包括表示三二进制位DAC的七个温度计位单元，如其他示例所示。

SSCS DAC220的优点包括低功率（无DC偏置，仅反馈电流）、低噪声（较少噪声产生者）、小共模扰动（比小Gm单元更好的P/N匹配）、较少量化噪声折叠（较大输出阻抗）和最小超量延迟。

在任何情况下，经组合的正（P）和负（N）差分电压输出228P、228N表示SSCS DAC220的所有位单元到共模级225和正和负信号路径212P、212N的并行连接。共模级225包括如所示方式连接的四个反相Gm级，并且随着误差电压跨输入级积分电容210改变将差分电压输出228P、228N的中心维持在共模电位周围。

在一个实施例中，SSCS DAC220位单元中的每一个的权重相等，其中当位单元被数字反馈命令激活时，相同位单元差分反馈电流被提供到SSCS DAC220的总差分反馈电流。当位单元未被激活时，其保持在“内部电流平衡模式”中并且大致不对SSCS DAC220的总差分反馈电流做出贡献。该动作控制总差分反馈电流的量值（magnitude）。当然，所提供的总差分反馈电流的极性处于减少跨输入级积分电容210的ADC误差信号的方向中。

示出的SSCS DAC220的位单元是所有经指示的位单元的典型，并且包括如所示连接的拉电流单元221、漏电流单元222、电流源开关对Q1a、Q1b和电流陷落开关对Q2a、Q2b。拉和灌电流单元221、222经平衡以通过分支开关Q1a、Q2a和Q1b、Q2b提供大致相等的静态电流。在该实现方案中，当需要时，数字反馈命令中断该平衡来提供减少输入电压效应的方向的差分单元反馈电流。

在图2的示例中，电流舵开关对Q1a、Q2b关闭，并且电流舵开关对Q1b、Q2a开启。该情况提供减少由相应的差分响应输入电流Iin-p、Iin-n所激起的ADC误差信号的方向的总正和负反馈电流Ifb-p、Ifb-n的至少一部分。当然，正和负单元反馈电流Ifb-p、Ifb-n与来自所有起作用的位单元的总电流相对应。

存在可结合SSCS DAC220采用的其他实现方案策略。这些实现方案策略包括其中每个位单元总是提供总正和负反馈电流Ifb-p、Ifb-n的一部分（即一对电流舵开关对Q1a、Q2b或Q1b、Q2a在每个位单元中总是关闭）的安排。在该情况下，数字反馈命令控制每个位单元差分反馈电流的极性使得总反馈电流具有适当的量值和方向。为了表示任一上文实现方案中的零反馈电流情况，数字反馈命令控制位单元以提供仅与交替改变极性的一个位单元相对应的总正和负反馈电流Ifb-p、Ifb-n。

图3示出根据本公开的原理所构建的、一般标明为300的调谐结构的实施例的图。调谐结构300包括调谐电路305和连接到共模级325的SSCSDAC320，如在先前所讨论的连续时间sigma-delta ADC的实施例中可采用的。如先前所释，一些采用连续时间sigma-deltaADC的实施例包括具有环路滤波器和量化器的前向信号路径和具有SSCS DAC320和共模级325的反馈路径。

环路滤波器是从有源1/RC块或Gm/C块实现的积分器的级联。在这些情况之一中，需要克服与IC电路固有的过程、电压和温度（PVT）变化相对应的分量效应以避免可包括系统不稳定性的性能退化。这可由整理或调谐分量（例如R、C、Gm）来达成。在Gm/C环路滤波器的情况下，可能的实现方案是通过Gm的供电电压来调谐Gm以确保恒定的Gm/C值。

具有数字输入信号“Tune（调谐）”（在图3中示出）的电流舵DAC提供输出电流（I）306，其由副本Gm1307和Gm2308所吸收，使得ΔV（Gm1+Gm2）=I（ΔV是固定带隙值的拷贝）。反馈环路（未示出）迫使Gm1和Gm2的供电电压确保先前的等式成立。

DAC代码“Tune”经设置使得基于振荡器（未示出）的副本Gm/C的频率针对Gm/C比率匹配目标值。因此，将电流（I）306的拷贝电流309用于sigma-delta ADC的主反馈DAC将确保反馈DAC电流将跟踪sigma-delta ADC的输入gm，这将ADC的整体转移功能固定到最优选择。

图4示出根据本公开的原理所实行的、一般标明为400的sigma-delta ADC操作方法的实施例的流程图。方法400开始于步骤405，在步骤410中，提供与模拟输入电压成比例的模拟输入电流。随后，在步骤415中，生成与模拟输入电流和反馈电流之间的差相对应的模拟误差信号。一般从包括单端误差信号和差分误差信号的组中选择模拟误差信号。在步骤420中，处理模拟误差信号以提供与模拟输入电压相对应的数字输出信号。

在步骤425中，提供具有拉和灌电流源二者的电流舵DAC，其中来自拉和灌电流源的电流是可导引的并且经连接以基于数字输出信号直接提供反馈电流。在一个实施例中，电流舵DAC包括至少一个电流舵位单元，并且电流舵位单元的总量基于模拟误差信号的所要求分辨率。在另一个实施例中，每个电流舵位单元包括一对拉和灌电流源，并且相应地，每个电流舵位单元包括电流舵开关对，其引导来自拉和灌电流源的电流以提供反馈电流的至少一部分。

在示出的实施例中，在步骤430中，维持用于电流舵DAC的共模电位，其中维持共模电位采用经连接以维持共模电位的四个反相跨导单元。此外，在示出的实施例中，在步骤435中，提供模拟输入电流和反馈电流之间的、为克服过程、电压和温度变化的校正调谐。这里，校正调谐采用电流镜像结构用于模拟输入电流和反馈电流之间的校正。过程400结束于步骤440。

虽然已参考以特定顺序实施的特定步骤对本文所公开的方法加以描述和示出，但应理解的是可组合、再分或重新排序这些步骤以形成等同的方法而不脱离本公开的教导。因此，除非本文特别指示，否则步骤的顺序或分组不作为本公开的限制。

本申请相关领域的技术人员应理解的是，可对所描述的实施例进行其他和进一步的增加、删除、替换和修改。

Claims (8)

1.一种积分三角模数转换器，包括：

输入跨导级，提供与模拟输入电压成比例的模拟输入电流；

电流求和级，生成与所述模拟输入电流和反馈电流之间的差相对应的模拟误差信号；

前向信号路径，处理所述模拟误差信号以提供与所述模拟输入电压相对应的数字输出信号；

反馈路径，包括具有拉和灌电流源二者的电流舵数模转换器，其中由所述拉和灌电流源所提供的电流是可导引的并且经连接以基于所述数字输出信号直接提供所述反馈电流；以及

所述反馈路径中的共模级，维持用于所述电流舵数模转换器的共模电位，其中所述共模级采用经连接以维持所述共模电位的四个反相跨导单元。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述电流舵数模转换器包括至少一个电流舵位单元。

3.根据权利要求2所述的转换器，其中电流舵位单元的总量基于所述模拟误差信号的分辨率。

4.根据权利要求2所述的转换器，其中每个电流舵位单元包括所述拉和灌电流源中的一对。

5.根据权利要求2所述的转换器，其中每个电流舵位单元包括引导来自所述拉和灌电流源的电流以提供所述反馈电流的至少一部分的电流舵开关对。

6.根据权利要求1所述的转换器，其中所述模拟误差信号选自包括以下内容的组：

单端误差信号；以及

差分误差信号。

7.根据权利要求1所述的转换器，进一步包括调谐电路，所述调谐电路提供所述输入跨导级和所述电流舵数模转换器的所述拉和灌电流源之间的电流校正以克服过程、电压和温度变化。

8.根据权利要求7所述的转换器，其中所述电流校正采用所述输入跨导级和所述电流舵数模转换器的所述拉和灌电流源之间的电流镜像结构。