CN104242944B - 一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器mdac结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，包括：增益放大器，用于将输入信号进行增益放大并发送至模数转换器；模数转换器，用于将输入信号进行量化得到输出结果；数字信号处理器，用于判断所述输出结果是否溢出，根据溢出情况生成反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述增益放大器，从而使得所述增益放大器能够根据所述反馈信号调节输入信号的增益放大程度。采用本发明的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，数字信号处理器能够判断出增益放大器的信号溢出，并及时向增益放大器发送反馈信息使其进行适应性的调整增益幅度，从而提高了2.5位乘法型数模转换器的稳定性。

Description

一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构

技术领域

本发明涉及模数转换领域，提供一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构。

背景技术

随着科学技术的不断发展，在通讯、医疗、军事等许多领域中，系统对模数转换器的要求越来越高，因此设计高性能模数转换器有着重要的意义。目前流水线型模数转换器精度覆盖8～16位，转换速度从10兆赫兹到250兆赫兹。在含有流水线型模数转换器的片上系统（SOC）或者是极板系统中，为了适应外界自然信号较大的输入范围，会在模数转换器之前加入可变增益放大器（VGA），信号在经过模数转换器转换以后再经过数字信号处理（DSP）后产生反馈信息，将反馈信息返回至VGA以调节增益的大小。

现有的带溢出位判断的模数转换器由于可变增益放大器进行增益放大后出现输入信号的溢出的幅度未知，所以每次调节幅度很小，使得整个过程较慢，工作效率很低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，能够及时修正增益放大器的增益幅度。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，包括：

增益放大器，用于将输入信号进行增益放大并发送至模数转换器；

模数转换器，用于将输入信号进行量化得到输出结果;

数字信号处理器，用于判断所述输出结果是否溢出，根据溢出情况生成反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述增益放大器，从而使得所述增益放大器能够根据所述反馈信号调节输入信号的增益放大程度。

其中，所述模数转换器包括按有效位顺序连接的多级电路，且级数不少于2；其中，每级电路均通过各自对应的编码电路将各自的输出结果进行二进制转换，得到数字输出结果，并将该数字输出结果输入至所述数字信号处理器。

其中，所述模数转换器的第一级电路包括：

电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、运算跨导放大器、第一类控制开关α1、第一类控制开关α2、第一类控制开关α3、第一类控制开关α4、第一类控制开关α5、第二类控制开关β1、第二类控制开关β2、第二类控制开关β3、第二类控制开关β4、第二类控制开关β5、第三类控制开关γ1、选通器δ1、选通器δ2、选通器δ3、选通器δ4；

其中，电容C1的上极板分别与第一类控制开关α1的右端以及第二类控制开关β1的左端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α1的左端接入输入信号VIN，所述第二类控制开关β1的右端与所述运算跨导放大器的输出端连接；

其中，电容C2的上极板分别与第一类控制开关α2的右端以及第二类控制开关β2的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α2的左端接入所述输入信号VIN；所述第二类控制开关β2的左端与选通器δ1的输出端连接；

其中，电容C3的上极板分别与第一类控制开关α3的右端以及第二类控制开关β3的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α3的左端接入所述输入信号VIN；所述第二类控制开关β3的左端与选通器δ2的输出端连接；

其中，电容C4的上极板分别与第一类控制开关α4的右端以及第二类控制开关β4的右端，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α4的左端接入输入信号VIN；所述第二类控制开关β4的左端与选通器δ3的输出端连接；

其中，电容C5的上极板分别与第一类控制开关α5的右端以及第二类控制开关β）的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；

所述第一类控制开关α5的左端接入0伏特的参考电压；所述第二类控制开关β5的左端与选通器δ4的输出端连接；

其中，选通器δ1、选通器δ2、选通器δ3、选通器δ4均由编码电路控制工作，其输入端均分别接入第一参考电压+Vref、0伏特电压、第二参考电压-Vref；

其中，所述运算跨导放大器的负输入端与所述第三类控制开关γ1的上端连接；所述第三类控制开关γ1的下端与所述运算跨导放大器的正输入端连接；所述运算跨导放大器的正输入端接地，其输出端分别与第二级电路以及编码电路连接。

其中，所述数字信号处理器具体包括：

获取单元，用于获取每级电路对应的编码电路所输出的数字输出结果；

处理单元，用于将所述模数转换器的最后一级电路至第一级电路的数字输出结果进行进制相加后作为第一输出结果，并将所述模数转换器的最后一级电路至第二级电路的数字输出结果进行进制相加后作为第二输出结果；

溢出判断单元，用于根据所述第一输出结果的首位判断所述增益放大器的输出信号是否溢出；

方向判断单元，用于若所述溢出判断单元确定所述增益放大器的输出信号溢出，则根据所述第二输出结果的首位数值判断所述模数转换器的溢出方向；

幅度判断单元，用于当所述方向判断单元确定所述增益放大器的输出信号向上溢出时，将去掉首位数值的第二输出结果作为其溢出幅度；以及当所述方向判断单元确定所述增益放大器的输出信号向下溢出时，将去掉首位数值的第二输出结果取反后作为其溢出幅度。

其中，所述第一级电路对应的编码电路将所述第一级电路的输入信号转换为4位二进制的数字信号；所述第二级电路至最后一级电路的编码电路将其所对应的电路的输入信号转换为3位二进制数字信号。

其中，所述处理单元具体用于：

从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第一级电路结束，将其和作为第一输出结果；以及

从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第二级电路结束，将其和作为第二输出结果。

本发明的方案具有以下优点：

本发明的数字信号处理器能够判断出增益放大器的信号溢出，并及时向增益放大器发送反馈信息使其进行适应性的调整增益幅度，从而提高了2.5位乘法型数模转换器的稳定性。

附图说明

图1为本发明中2.5位乘法型数模转换器MDAC结构的示意图；

图2为本发明中模数转换器与数字信号处理器的具体连接示意图；

图3为本发明中第一级电路的结构图；

图4为本发明中第一级电路的控制开关的工作时序图；

图5为本发明中第一级电路处于采集状态时的示意图；

图6为本发明中第一级电路处于保持状态时的示意图；

图7为本发明中带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC的传输曲线以及其数字输出结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，其特征在于，包括：

增益放大器，用于将输入信号进行增益放大并发送至模数转换器；

模数转换器，用于将输入信号进行量化得到输出结果;

数字信号处理器，用于判断所述输出结果是否溢出，根据溢出情况生成反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述增益放大器，从而使得所述增益放大器能够根据所述反馈信号调节输入信号的增益放大程度。

上述实施例中的数字信号处理器能够判断出增益放大器的信号溢出，并及时向增益放大器发送反馈信息使其进行适应性的调整增益幅度，从而提高了2.5位乘法型数模转换器的稳定性。

具体地，如图2所示，在本发明的上述实施例中，所述模数转换器包括按有效位顺序连接的多级电路，且级数不少于2；其中，每级电路均通过各自对应的编码电路将各自的输出结果进行二进制转换，得到数字输出结果，并将该数字输出结果输入至所述数字信号处理器。需要指出的是，本实施例的数模转换器为常见的2.5位乘法型数模转换器，其模数转换器的由多级电路组成，其具体原理不在此赘述。

相对于现有技术中的2.5位乘法型数模转换器，本发明还对其模数转换器的第一级电路进行了改进，可以使数字信号处理器通过第一级电路即可判断出增益放大器的输出信号是否溢出，该第一级电路如图3所示，具体包括：

电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、运算跨导放大器、第一类控制开关α1、第一类控制开关α2、第一类控制开关α3、第一类控制开关α4、第一类控制开关α5、第二类控制开关β1、第二类控制开关β2、第二类控制开关β3、第二类控制开关β4、第二类控制开关β5、第三类控制开关γ1、选通器δ1、选通器δ2、选通器δ3、选通器δ4；

其中，电容C1的上极板分别与第一类控制开关α1的右端以及第二类控制开关β1的左端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α1的左端接入输入信号VIN，所述第二类控制开关β1的右端与所述运算跨导放大器的输出端连接；

其中，电容C2的上极板分别与第一类控制开关α2的右端以及第二类控制开关β2的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α2的左端接入所述输入信号VIN；所述第二类控制开关β2的左端与选通器δ1的输出端连接；

其中，电容C3的上极板分别与第一类控制开关α3的右端以及第二类控制开关β3的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α3的左端接入所述输入信号VIN；所述第二类控制开关β3的左端与选通器δ2的输出端连接；

其中，电容C4的上极板分别与第一类控制开关α4的右端以及第二类控制开关β4的右端，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α4的左端接入输入信号VIN；所述第二类控制开关β4的左端与选通器δ3的输出端连接；

其中，电容C5的上极板分别与第一类控制开关α5的右端以及第二类控制开关β）的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；

所述第一类控制开关α5的左端接入0伏特的参考电压；所述第二类控制开关β5的左端与选通器δ4的输出端连接；

其中，选通器δ1、选通器δ2、选通器δ3、选通器δ4均由编码电路控制工作，其输入端均分别接入第一参考电压+Vref、0伏特电压、第二参考电压-Vref；

其中，所述运算跨导放大器的负输入端与所述第三类控制开关γ1的上端连接；所述第三类控制开关γ1的下端与所述运算跨导放大器的正输入端连接；所述运算跨导放大器的正输入端接地，其输出端分别与第二级电路以及编码电路连接。

具体地，在本发明的上述实施例中，所述数字信号处理器具体包括：

获取单元，用于获取每级电路对应的编码电路所输出的数字输出结果；

处理单元，用于将所述模数转换器的最后一级电路至第一级电路的数字输出结果进行进制相加后作为第一输出结果，并将所述模数转换器的最后一级电路至第二级电路的数字输出结果进行进制相加后作为第二输出结果；

溢出判断单元，用于根据所述第一输出结果的首位判断所述增益放大器的输出信号是否溢出；

方向判断单元，用于若所述溢出判断单元确定所述增益放大器的输出信号溢出，则根据所述第二输出结果的首位数值判断所述模数转换器的溢出方向；

幅度判断单元，用于当所述方向判断单元确定所述增益放大器的输出信号向上溢出时，将去掉首位数值的第二输出结果作为其溢出幅度；以及当所述方向判断单元确定所述增益放大器的输出信号向下溢出时，将去掉首位数值的第二输出结果取反后作为其溢出幅度。

具体地，在本发明的上述实施例中，所述第一级电路对应的编码电路将所述第一级电路的输入信号转换为4位二进制的数字信号；所述第二级电路至最后一级电路的编码电路将其所对应的电路的输入信号转换为3位二进制数字信号。

具体地，在本发明的上述实施例中，所述处理单元具体用于：

从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第一级电路结束，将其和作为第一输出结果；以及

从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第二级电路结束，将其和作为第二输出结果。

下面对上述2.5位乘法型数模转换器MDAC的工作原理进行详细描述：

为了解决传统数模转换器在输入信号超出量化范围时会造成错误的输出这个问题，本发明具体提出了一种如图3所示的第一级电路结构，其工作状态由图4所示的两相非交叠时钟控制，根据不同的时钟分为采样状态（sample）与保持状态（hold）。其中由时钟CLK-α，CLK-β，CLK-γ分别来控制第一类控制开关α1、α2、α3、α4、α5，第二类控制开关β1、β2、β3、β4、β5以及第三类控制开关γ1的导通与断开。

当CLK-α为高，且CLK-β为低时，如图3所示，第一类控制开关α1、α2、α3、α4、α5，以及第三类控制开关β1导通，第二类控制开关β1、β2、β3、β4、β5断开，第一级电路进入采样状态。运算跨导放大器的正负输入端短接并接地，因此C1、C2、C3、C4、C5的右边下极板都视为接地。C1、C2、C3、C4的左边上极板均接收来自增益放大器的输入信号Vin，而C5的左边上极板还是接地，所以C5在采样阶段不起作用，其第一级电路具体成为如图5所示的电路结构。需要注意的是，时钟CLK-γ比CLK-α先下降（即γ1要比α1、α2、α3、α4、α5先关断）这样C1、C2、C3、C4、C5的右边下极板处于悬空状态，不存在电荷通路，可将电荷注入效应、时钟馈通效应等造成的误差转变为共模误差从而相互抵消。

当CLK-β为高，CLK-α为低时，如图2所示，β1、β2、β3、β4、β5导通，α1、α2、α3、α4、α5以及γ1断开，第一级电路进入保持状态。C1的右边下极板与运算跨导放大器的负输入端相连，其左边上极板与运算跨导放大器的输出端相连，运算跨导放大器的正输入端接地。C2的左边上极板与δ1的输出端相连，其右边下极板连接运算跨导放大器的负输入端，δ1的输入端分别接参考电压Vref+、0、Vref-；C3左边上极板与δ2的输出端相连，右边下极板连接运算跨导放大器的负输入端，δ2的输入端分别接参考电压Vref+、0、Vref-；C4的左边上极板与δ3的输出端相连，其右边下极板连接运算跨导放大器的负输入端，δ3的输入端分别接参考电压Vref+、0、Vref-；C5的左边上极板与δ4的输出端相连，其右边下极板连接运算跨导放大器的负输入端，δ4的输入端分别接参考电压Vref+、0、Vref-，此时的第一电路的连接状态如图6所示。

假设电容C1=C2=C3=C4=C5=C，在采样状态时A点的电荷总量Q_A=4(V_cm-V_in)C，保持状态时A点的电荷总量为，Q_A'=[4(V_cm-b₁V_ref+)C+(V_cm-b₂V_ref+)+(V_cm-b₃V_ref+)+(V_cm-b₄V_ref+)+(V_cm-b₂V_out+)]C,其中V_cm为接地电压，V_OUT+为运算跨导放大器的正输出端的电压，b1、b2、b3∈（-1,01），其取值由编码电路控制决定，其具体原理与现有技术一致；

根据电荷守恒定律可知，在采样状态时A点的电荷总量Q_A与保持状态时A点的电荷总量Q_A'相等，可得到：

4(V_cm-V_in)=(V_cm-b_lV_ref+)C+(V_cm-b₂V_ref+)+(V_cm-b₃V_ref+)+(V_cm-b₄V_ref+)+(V_cm-b₂V_out+)……①；

由于全差分结构电路是完全对称的，同理可知在运放的正输入端得到：

4(V_cm-V_in-)=(V_cm-b_lV_ref-)C+(V_cm-b₂V_ref-)+(V_cm-b₃V_ref-)+(V_cm-b₄V_ref-)+(V_cm-b₂V_out-)……②，其中，V_IN-为运算跨导放大器的负输入端进入的电压，V_OUT-为运算跨导放大器的负输出端的电压；

将①②得到：

V_out=4V_in+(b₁+b₂+b₃)V_ref。；其中，V_ref=|V_ref+-V_ref-|。

之后，V_out通过编码电路转换为4位二进制的数字输出结果，同时V_out还进入到第二级电路中，作为第二级电路的输入信号，直至进入最后一级电路。而第二级至最后一级电路的与现有的模数转换器结构相同，均通过各自的编码电路将各自的输出信号转换为3位二进制的数字输出结果。

之后，数字信号处理器从最后一级电路所对应的数字输出结果开始，逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加后得到最终数字输出结果（即上文所述的第一输出结果），并判断其首位二进制数值OTR，若OTR=0，则确定增益放大器的输入信号没有溢出；OTR=1，则确定该输入信号溢出。

此外，当输入信号溢出时，数字信号处理器从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第二级电路结束，将其和作为第二输出结果DOUT，并判断DOUT的最高位B的值，若B=0，说明输入信号向下溢出，若B=1，说明输入信号向上溢出。此外根据DOUT的值还可以确定输入信号溢出的幅度，当B=0向下溢出时，将DOUT除B以外的值取反即得到输入信号向下溢出的幅度；当B=1向上溢出时，DOUT除B以外的值就是输入信号向上溢出的幅度。DOUT的位数越多，得到的溢出幅度越准确。

最终数字信号处理器产生反馈信号来使增益放大器调节其增益幅度（如改变带宽、开关电容网络中的电容分配），保证输入信号不再溢出为止。

采用上述2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，其传输曲线与数字输出结果如图7所示，可以准确的得到超过其原本判断范围1/8以内的向上/向下溢出幅度。

显然，上述实施例为本发明中电子地图注记分行方法对应的装置实施例，所述电子地图注记分行方法能达到的技术效果，本实施例的装置也同样能够达到。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，其特征在于，包括：

增益放大器，用于将输入信号进行增益放大并发送至模数转换器；

模数转换器，用于将输入信号进行量化得到输出结果；

数字信号处理器，用于判断所述输出结果是否溢出，根据溢出情况生成反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述增益放大器，从而使得所述增益放大器能够根据所述反馈信号调节输入信号的增益放大程度；

所述模数转换器包括按有效位顺序连接的多级电路，且级数不少于2；其中，每级电路均通过各自对应的编码电路将各自的输出结果进行二进制转换，得到数字输出结果，并将该数字输出结果输入至所述数字信号处理器；

其中，所述模数转换器的第一级电路包括：

电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、运算跨导放大器、第一类控制开关α1、第一类控制开关α2、第一类控制开关α3、第一类控制开关α4、第一类控制开关α5、第二类控制开关β1、第二类控制开关β2、第二类控制开关β3、第二类控制开关β4、第二类控制开关β5、第三类控制开关γ1、选通器δ1、选通器δ2、选通器δ3、选通器δ4；

其中，电容C1的上极板分别与第一类控制开关α1的右端以及第二类控制开关β1的左端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α1的左端接入输入信号VIN，所述第二类控制开关β1的右端与所述运算跨导放大器的输出端连接；

其中，电容C2的上极板分别与第一类控制开关α2的右端以及第二类控制开关β2的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α2的左端接入所述输入信号VIN；所述第二类控制开关β2的左端与选通器δ1的输出端连接；

其中，电容C3的上极板分别与第一类控制开关α3的右端以及第二类控制开关β3的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α3的左端接入所述输入信号VIN；所述第二类控制开关β3的左端与选通器δ2的输出端连接；

其中，电容C4的上极板分别与第一类控制开关α4的右端以及第二类控制开关β4的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；所述第一类控制开关α4的左端接入输入信号VIN；所述第二类控制开关β4的左端与选通器δ3的输出端连接；

其中，电容C5的上极板分别与第一类控制开关α5的右端以及第二类控制开关β5的右端连接，其下极板与所述运算跨导放大器的负输入端连接；

所述第一类控制开关α5的左端接入0伏特的参考电压；所述第二类控制开关β5的左端与选通器δ4的输出端连接；

其中，选通器δ1、选通器δ2、选通器δ3、选通器δ4均由编码电路控制工作，其输入端均分别接入第一参考电压+Vref、0伏特电压、第二参考电压-Vref；

其中，所述运算跨导放大器的负输入端与所述第三类控制开关γ1的上端连接；所述第三类控制开关γ1的下端与所述运算跨导放大器的正输入端连接；所述运算跨导放大器的正输入端接地，其输出端分别与第二级电路以及编码电路连接。

2.根据权利要求1所述的带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，其特征在于，所述数字信号处理器具体包括：

获取单元，用于获取每级电路对应的编码电路所输出的数字输出结果；

处理单元，用于将所述模数转换器的最后一级电路至第一级电路的数字输出结果进行进制相加后作为第一输出结果，并将所述模数转换器的最后一级电路至第二级电路的数字输出结果进行进制相加后作为第二输出结果；

溢出判断单元，用于根据所述第一输出结果的首位判断所述增益放大器的输出信号是否溢出；

方向判断单元，用于若所述溢出判断单元确定所述增益放大器的输出信号溢出，则根据所述第二输出结果的首位数值判断所述模数转换器的溢出方向；

幅度判断单元，用于当所述方向判断单元确定所述增益放大器的输出信号向上溢出时，将去掉首位数值的第二输出结果作为其溢出幅度；以及当所述方向判断单元确定所述增益放大器的输出信号向下溢出时，将去掉首位数值的第二输出结果取反后作为其溢出幅度。

3.根据权利要求2所述的带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，其特征在于，所述第一级电路对应的编码电路将所述第一级电路的输入信号转换为4位二进制的数字信号；所述第二级电路至最后一级电路的编码电路将其所对应的电路的输入信号转换为3位二进制数字信号。

4.根据权利要求3所述的带溢出位判断的2.5位乘法型数模转换器MDAC结构，其特征在于，所述处理单元具体用于：

从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第一级电路结束，将其和作为第一输出结果；以及

从最后一级电路所对应的数字输出结果开始逐次与前一级电路的数字输出结果进行错位相加，直至加到第二级电路结束，将其和作为第二输出结果。