CN104734712A - 模数转换器输入级 - Google Patents

Abstract

一种用于模数转换器的输入级，包括(a)跨导元件，适于在跨导元件的第一输入接收将被模数转换器转换为数字信号的模拟输入信号，(b)反馈路径，用于提供模拟反馈信号到跨导元件的第二输入，模拟反馈信号及与模数转换器的数字输出信号，和(c)积分器，用于对跨导元件的输出电流积分，其中积分元件适于产生表示经积分的输出电流的积分器输出信号。还记载了包括这种输入级的模数转换器和包括多个这种模数转换器的系统。

Description

模数转换器输入级

技术领域

本申请涉及模数转换器领域，特别是用于这种转换器的输入级。

背景技术

A/D转换器(模数转换器)中，输入级通常是转换器中与噪声和线性相关的最关键的部分。为了提高线性度，通常使用输入晶体管对的退化，但这同时增加了噪声。另一种解决方案是使用输入级，该输入级具有到放大器的输入的反馈(如反相放大器)，但需要输入电阻，因此A/D转换器的输入阻抗将是限定的，但这是不希望出现的，特别是当A/D转换器需要与传感器接口时是不希望出现的。而且，这种反馈增加了功率消耗。

另外，在传感器应用中，通常需要信号处理路径在不同的通道之间提供足够的增益匹配。例如，磁敏角度传感器的输出信号分别与待测角度的正弦和余弦成比例，可以通过应用反正切函数以给角度一个磁场来处理这个比率。独立的信号处理路径中的失配引起的正弦和余弦信号的振幅差异将引起角误差。因此，信号处理路径之间的增益匹配对于实现良好性能是必要的。

图1示出了∑Δ模数转换器100的原理图，他通过过采样噪声整形实现高分辨率。更具体地，转换器100包括加法器104，滤波器106，数字转换器108和反馈数模转换器(DAC)114。在操作中，模拟输入信号102被作为一个输入提供給加法器104。加法器104的输出被提供给滤波器106，滤波器106调整由其后的高速运转的量化器108引入的量化噪声，量化器108提供数字输出信号110。数字输出信号110也被作为数字反馈信号112提供到反馈D/A转换器114，反馈D/A转换器114发送产生的模拟反馈信号116作为加法器104的第二输入，从而使滤波器106将任何误差(即模拟输入信号102与模拟反馈信号116之间的差异)考虑在内。滤波器106可能是积分器级。转换器110的输出通过DA转换器114转换成到模拟域。DA转换器114的输出与输入信号102比较并且将误差反馈到环中。转换器100的关键部分是输入级，它决定了模拟输入信号的数字表示的误差。由输入级造成的误差本身因此直接转化为输入信号的数字表示中的误差，这是不希望的。注意的是SAR(逐渐近似)AD转换器具有类似的问题。已知技术的实施例使用独立转换输入信号和DA转换器信号的跨导(gm)级。

图2示出了已知的用于差分A/D转换器的输入级200。输入级200包括第一跨导元件206，第二跨到元件210，积分电容器208和能提供+Vref与-Vref之间的输出信号值的梯形电阻216(形成反馈D/A转换器)。差分模拟输入信号被提供给第一跨导元件206的输入202和204，第一跨导元件206产生第一电流，第一电流与两个输入信号之间的差异相应。类似地，第二跨导元件210在它的输入212和214处接收来自D/A转换器216的模拟反馈信号并且产生第二电流(与第一电流相反)，第二电流与两个模拟反馈信号之间的差异相应。所产生的电流，即，第一电流和第二电流，被在电容器208上积分求和并且提供所产生的电容器208两端的电压Vout用于另外的滤波(例如更高阶的环路滤波器)或者在转换器，例如图1所示的数字转换器108的量化级中进一步处理。换句话说，第一和第二跨导元件206和210的输出电流在电流域中被减少，并且在电容器208上积分。再一次参考图1，电容器208可能形成整个滤波器108或滤波器108的第一部分。这种实施的缺点是两个跨导元件都必须转换全摆幅信号(输入信号或DA转换器输出信号)，这需要更高的线性级以避免失真。通常由跨导级的退化获得线性度，但很明显这会增加噪声(由于添加的电阻)，因此，需要增加功率已达到所需的噪声水平。

因此可能需要一种用于A/D转换器的输入级，能够在较低的功率消耗水平提供高线性度和低噪声，并且能够以简单和可靠的方法提供多个通道之间的增益匹配。

发明内容

这种要求可能由根据独立权利要求的主题来满足。优选的实施例在从属权利要求中提出。

根据第一方面，提供了一种用于模数转换器的输入级，输入级包括(a)跨导元件，适于在跨导元件的第一输入接收模拟输入信号，所述模拟输入信号将被模数转换器转换为数字信号，(b)反馈路径，用于提供模拟反馈信号到跨导元件的第二输入，模拟反馈信号基于模数转换器的数字输出信号，和(c)积分器，用于对跨导元件的输出电流进行积分，其中积分元件适于产生表示经积分的输出电流的积分器输出信号。

这个方面是基于以下思想：将模拟输入信号和模拟反馈信号提供给相同跨导元件的各自的输入，跨导元件的输入信号的摆幅(即输入到跨导元件的信号之间的差异)被大大减小。因此，对于跨导元件的线性要求也相应地减少，噪声的增加以及消耗功率的另外的电阻器不是必须的。

在本文中，术语“跨导元件”可能特别表示产生输出电流的电路元件，该输出电流直接取决于跨导元件的第一和第二输入两端的电压差，即i＝gm×v，其中gm是对于元件特定的常数因子(跨导)。

因此，跨导元件的输出电流代表输入到跨导元件的信号之间的差。换句话说，经积分的输出电流表示到AD转换器的模拟输入信号和反馈路径提供的模拟反馈信号之间的差的积分。因此，代表经积分的输出电流的积分器输出信号，可以衡量AD转换器的转换误差。

假设AD转换器的转换误差相对小，可以知道输入到跨导元件的信号之间的差异是相应的小。因此，根据这一方面的输入级即使没有高线性跨导元件也能够很好运作。

根据一个实施例，输入级还包括(a)另外的跨导元件，适于在另外的跨导元件的第一输入接收另外的模拟输入信号，和(b)另外的反馈路径，用于提供另外的模拟反馈信号给另外的跨导元件的第二输入，该另外的模拟反馈信号是基于A/D转换器的数字输出信号，其中(c)积分器适于对跨导元件的输出电流和另外的跨导元件的输出电流积分求和，和其中积分器输出信号代表输出电流的积分之和。

在这个实施例中，输入级包括另外的跨导元件，另外的跨导元件以与以上描述的跨导元件类似的方式工作以产生电流，该电流基于另外的模拟输入信号和另外的模拟反馈信号之间的差。另外的跨导元件产生的电流与跨导元件产生的电流通过积分器在一起求积分。因此，积分器输出信号代表输出电流的积分之和。

另外的跨导元件的跨导(gm)可能等于或不同于跨导元件的跨导。

根据另一个实施例，模拟输入信号和另外的模拟输入信号是用于差分A/D转换器的模拟输入信号。

在本文中，术语“差分A/D转换器”是能够产生两个模拟输入信号之差的数字表示的A/D转换器。

注意另外的模拟输入信号和另外的模拟反馈信号具有相同的极性，即它们同相。类似地，模拟输出信号与模拟反馈信号具有相同的极性(即相位)。然而，模拟输入信号与另外的模拟输入信号的极性相反。

根据另一个实施例，跨导元件的第一输入和另外的跨导元件的第一输入具有相反的极性。

因此，跨导元件的第二输入也与另外的跨导元件的第二输入具有相反的极性。

因此，对于模拟输入信号的正的转换误差将正的值添加到输出电流的积分之和上，对于另外的模拟输入信号的正的转化误差将负的贡献添加到输出电流的积分之和上。

根据另一个实施例，输入级还包括布置在跨导元件的输出和积分器之间的斩波器，斩波器可以反转跨导元件的输出的极性。

在本文中，术语“斩波器”可能特别表示开关元件，该开关元件可以用第一输出端和第二输出端以两种方式连接第一输入端和第二输入端，这取决于提供给斩波器的控制信号：对于控制信号的一个值，斩波器用第一输出端连接第一输入端和用第二输出端连接第二输入端，和对于控制信号的第二值，斩波器用第二输出端连接第一输入端和用第一输出端连接第二输入端。

通过操作斩波器反转跨导元件的输出电流的极性，输入级可能从操作的差模变为操作的共模。

或者，斩波器可能布置在另外的跨导元件和积分器之间。

根据另一个实施例，积分器包括电容器，积分器输出信号是电容器两端的电压。

应该注意的是，虽然上述方面和实施例是关于A/D转换器的描述，但是所描述的输入级也可以用于其它包括反馈路径的电路结构，例如反馈放大器。另外，积分电容器的功能，即提供环路增益，可能由电阻器实现。

根据第二方面，提供一种A/D转换器，包括(a)根据第一方面或上述任一实施例的输入级，(b)量化级，适于接收积分器输出信号和产生数字输出信号，和(c)反馈D/A转换器，适于通过将数字输出信号转换为模拟信号来产生模拟反馈信号和将模拟反馈信号提供给反馈路径。

这一方面是基于和上述第一方面基本相同的思想。特别地，根据第二方面的A/D转换器是便宜的和易于制造的，并且可以在低噪声和低功率损耗下提供高精度的模拟到数字的转换。另外，当以多通道实现时，如差分A/D转换器，可以以简单和节约成本的方式提供通道之间的增益匹配。

在本文中，术语“量化”可以特别指以下过程：选择多个离散(量化的)值作为代表值用于给定的模拟信号水平。

在本文中，术语“反馈D/A转换器”可以特别指布置为转换A/D转换器的数字输出信号返回模拟信号的数模转换器，例如，在本领域中已知的∑Δ模数转换器。

根据一个实施例，A/D转换器还包括插入在输入级和量化级之间的滤波级。

优选地，滤波级可能适于执行另外的滤波，例如噪声整形，到由积分器执行的滤波。

根据另一个实施例，反馈D/A转换器包括梯形电阻结构。

优选地，梯形电阻结构被配置为在正的参考电压(+Vref)和负的参考电压(-Vref)之间提供多个等量间距的离散的电压值。

根据另一个实施例，斩波器可以通过反转跨导元件的输出的极性以在操作的差模和操作的共模之间切换。

在差模A/D转换器的情况下，这可能例如用于在启动时校准，在启动时，斩波器可以切换系统到操作的共模，以及测量输入信号和相应的反馈D/A转换器输出信号之间的共模差。这个信息可能接着被用于调整用于反馈D/A转换器的参考电压或者调整反馈D/A转换器的抽头(移动范围)。优选地，该校准可能通过增加专用的一组跨导元件用于在操作期间测量输入信号和反馈D/A转换器信号之间的共模差来改善，从而在飞行中共模可以被校正。

根据第三方面，提供一种系统，包括多个根据第二方面或者任何上述实施例中的A/D转换器，其中多个A/D转换器的反馈D/A转换器共用梯形电阻结构。

优选地，梯形电阻结构被配置为在正的参考电压(+Vref)和负的参考电压(-Vref)之间提供多个等量间距的离散的电压值。

通过共用梯形电阻结构，即所有的反馈D/A转换器都是用相同的梯形电阻结构，系统中的每个A/D转换器可能具有相同的增益特性，从而可以获得增益匹配。

应该注意的是本发明的实施例参考不同的主题进行描述。具体地，一些实施例的描述关于方法权利要求而另一些实施例的描述关于产品权利要求。然而，本领域技术人员从上下文可以得出，除非另外指出，除了属于一种类型的主题中的技术特征的结合以外，与不同主题相关的技术特征的任何结合，特别是方法权利要求中的技术特征和产品权利要求中的技术特征的结合，也被认为已被本发明披露。

从以下描述的实施例和参考具体例子的说明可以明显得出上述限定的方面和本发明的其它方面。以下关于本发明的实施例进行详细描述，但本发明不限于这些实施例。

附图说明

图1示出了传统的∑Δ模数转换器的原理图；

图2示出了用于差分模数转换器的已知的输入级的原理图；

图3示出了根据本发明实施例的用于差分模数转换器的输入级的原理图；

图4示出了根据本发明另一个实施例的用于差分模数转换器的输入级的原理图。

具体实施方式

附图中的示例是示意性的。注意的是在不同的图中，各个实施例中相似的或者相同的元件以相同的或者相似的符号表示，只是在第一个数字发生变化。

关于图1和图2，作为以上给出的相应描述的参考。

图3示出了根据本发明实施例的用于差分模数转换器的输入级的原理图。

通常，输入级300的结构与图2所示的已知技术的输入级200的不同之处在于：输入级300的各个跨导元件接收具有相同极性的模拟输入信号和模拟反馈信号，从而输入级300的各个跨导元件比图2的已知技术的输入级200的跨导元件经历更少的信号摆幅。

更具体地，如图3所示，输入级300包括第一跨导元件306，第二跨导元件316，梯形电阻310(组成反馈D/A转换器)和电容器308，第一跨导元件306具有第一输入302和第二输入304，第二跨导元件316具有第一输入312和第二输入314，电容器308对来自第一跨导元件306的输出电流和来自第二跨导元件316的输出电流积分求和。

第一跨导元件306的第一输入302接收第一模拟输入信号(例如用于差分A/D转换器的正模拟输入)，第一跨导元件306的第二输入304接收来自梯形电阻310的第一模拟反馈信号。类似地，第二跨导元件316的第一输入接收第二模拟输入信号(例如用于差分A/D转换器的负模拟输入)，第二跨导元件316的第二输入314接收来自梯形电阻310的第二模拟反馈信号。两个跨导元件306和316的正输出端互连并且连接到积分电容器308的一端。类似地，两个跨导元件306和316的负输出端互连并且连接到积分电容器308的另一端。因此，电容器308对跨导元件306和316输出的电流积分求和(例如从各个正输出端)从而电容器308两端的电压Vout表示输出电流的积分之和。

如图3所示，第一跨导元件306的第一输入302的极性与第二跨导元件316的第一输入312的极性相反。因此，在第一跨导元件306的第一和第二输入端302、304处各自的电压的正的差导致来自第一跨导元件306的正输出端(+)的正的输出电流和因此对电容器308积分之和的正的贡献。类似地，各个电压之间的负的差会提供负的贡献到电容器308积分之和。相反，在第二跨导元件316的第一和第二输入端312，314处的电压的正的差将导致来自第二跨导元件316的正输出端(+)的负输出电流和因此对于电容器308积分之和的负的贡献。类似地，各个电压之间的负的差会提供负的贡献到电容器308积分之和。

图3所示出的输入级300具有多个有点：通过将相同极性的输入和反馈信号提供进入各自的跨导元件306，316，可以仍然在电压域中有效实现减少。这大大减少了跨导元件306，316的输入处的差分摆幅，减少了对差模线性范围的需要，避免了对退化的需要，和导致大量能源的节省。

输入级300的另一个优点是参考D/A转换器参考源的噪声是共模。另外，对于近中级(near-midscale)DA转换器输出，梯形电阻的大多数热噪声是共模。在单端实施(只使用一个跨导元件和单端输入信号)中，DA转换器的噪声是共模的优点明显丧失了。

输入级300的另一个优点是如果所需要的A/D转换器对需要在两个信号转换路径中的增益匹配，参考梯形电阻310可以在通道之间再利用。假设各个A/D转换器的跨导元件彼此匹配，参考梯形电阻310的再利用在双通道之间给出了内部增益匹配。很明显，参考梯形电阻310可以用于任何数量的通道，即用于多于两个通道的再利用。如果各个A/D转换器的跨导元件不匹配，增益匹配可能通过在信号转换期间重复交换跨导元件来实现。

图4示出了根据另一个实施例的用于差分模数转换器的输入级的原理图。

从图4可以看出，除了另外的斩波器420，输入级400的结构与上述讨论的图3所示的输入级300的结构相同。因此，不再对类似的元件进行详细描述。如已经指出的，输入级400与输入级300的不同之处只在于在第二跨导元件416和积分电容器408之间提供斩波器420。根据施加到控制端422的控制信号，斩波器420能够交换第二跨导元件416的输出端的连接。也就是说，当预定的控制信号施加到控制端422上时，斩波器将第二跨导元件416的正输出端(+)连接到第一跨导元件406的负输出端(-)，和将第二跨导元件416的输出端(-)连接到第一跨导元件406的正输出端(+)。因此，操作模式在差模(与图3所示的结构相应)和操作的共模之间切换。在共模操作中，第二跨导元件416的第一输入端412和第二输入端414的正电压差也会导致对电容器408积分的电流之和的正的贡献。

更具体地，当在差模中操作时(相应于图3)，电容器408积分的电流之和i_out如下：

$i_{\mathrm{out}}=\mathrm{gm}((V_S^{+}-V_S^{-})-(V_{\mathrm{DAC}}^{+}-V_{\mathrm{DAC}}^{-}))$

另一方面，当在共模中操作时，电容器408积分的电流之和i_out如下：

$i_{\mathrm{out}}=\mathrm{gm}((V_S^{+}+V_S^{-})-(V_{\mathrm{DAC}}^{+}+B_{\mathrm{DAC}}^{-}))$

在上述公式中，V_S表示(正的和负的)模拟输入信号和V_DAC表示(正的和负的)模拟反馈信号。

共模可能被用于在启动时校准系统如下：在启动时，斩波器420被设置为测量输入信号和反馈D/A转换器输出信号之间的共模差。这个信息接着被用于调节参考电压V_ref，或调整所使用的D/A转换器梯形电阻的抽头(移动范围)。

输入级300和400和另外的实施例可能特别地和优选地在∑Δ和SAR模数转换器，特别是需要高线性度和功率消耗的A/D转换器中实施。当在多通道系统中使用时，输入级300和400使能在多通道之间的优异的信号处理路径增益匹配。另外，输入级300和400可能优选地在需要高输入阻抗的应用中使用，例如包括以下传感器的应用，例如磁传感器，光传感器，声敏传感器或者其它传感器。

需要注意的是，除非另外指出，术语“上面的”，“下面的”，“左边的”，“右边的”只涉及与附图相应的方向。

需要注意的是，术语”包括”不排除其他的元件或者步骤，以及不定冠词“一”不排除复数。与不同实施例相关联的元件也可能结合。还应该注意的是在权利要求中的附图标记将不被理解为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于模数转换器的输入级，其特征在于，输入级包括：

跨导元件(306，406)，适于在跨导元件的第一输入(302，402)接收模拟输入信号，所述模拟输入信号将被模数转换器转换为数字信号；

反馈路径，用于提供模拟反馈信号到跨导元件的第二输入(304，404)，所述模拟反馈信号基于模数转换器的数字输出信号，和

积分器(308，408)，用于对跨导元件的输出电流进行积分，其中积分元件适于产生表示经积分的输出电流的积分器输出信号。

2.根据权利要求1所述的输入级，其特征在于，还包括：

另外的跨导元件，适于在另外的跨导元件的第一输入接收另外的模拟输入信号，和

另外的反馈路径，用于提供另外的模拟反馈信号到另外的跨导元件的第二输入，另外的模拟反馈信号基于模数转换器的数字输出信号，

其中积分器适于对跨导元件的输出电流和另外的跨导元件的输出电流积分求和，以及其中积分器输出信号表示输出电流的积分之和。

3.根据权利要求1或2所述的输入级，其特征在于，模拟输入信号和另外的模拟输入信号是用于差分模数转换器的模拟输入信号。

4.根据权利要求2或3所述的输入级，其特征在于，跨导元件的第一输入和另外的跨导元件的第一输入具有相反的极性。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的输入级，其特征在于，还包括：

布置在跨导元件的输出和积分器之间的斩波器，斩波器反转跨导元件的输出的极性。

6.根据前述任一权利要求所述的输入级，其特征在于，积分器包括电容器，和其中积分器输出信号是电容器两端的电压。

7.一种模数转换器，包括：

根据前述任一权利要求所述的输入级，

量化级，适于接收积分器输出信号和产生数字输出信号，和

反馈数模转换器，适于通过将数字输出信号转换为模拟信号来产生模拟反馈信号和提供模拟反馈信号到反馈路径。

8.根据权利要求7所述的模数转换器，其特征在于，还包括在输入级和量化级之间插入的滤波级。

9.根据权利要求7或8所述的模数转换器，其特征在于，反馈数模转换器包括梯形电阻结构。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的模数转换器，其特征在于，输入级是根据权利要求5所述的输入级，和其中斩波器通过反转跨导元件的输出的极性在操作的差模和操作的共模之间切换。

11.一种包括多个根据权利要求7至10中任一项所述的模数转换器的系统，其特征在于，多个模数转换器的反馈数模转换器共用梯形电阻结构。