CN104980159A - 一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，包括第一异步脉宽调制器、电荷泵、第二异步脉宽调制器、基于压控振荡器的量化器以及数模转换器，其中所述第一异步脉宽调制器、所述电荷泵、所述第二异步脉宽调制器、所述基于压控振荡器的量化器依次连接在前向通道上，所述数模转换器连接在反馈通道上，所述数模转换器转换的模拟信号与第一异步脉宽调制器输出信号、电荷泵输出信号分别相减得到的误差信号送至所述电荷泵和所述第二异步脉宽调制器，形成闭环系统。本发明以简单的、低功耗的结构代替结构复杂、高功耗的模拟积分器，并能获得较好的精度。

Description

一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器

技术领域

本发明涉及模拟电路和混合信号电路领域，特别是涉及一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器。

背景技术

在无线通信前端电路中，模数转换器(ADC)是一个重要的模块，它负责把射频前端电路输出的模拟信号转换成数字信号传递给后面的数字后端进行信号处理。衡量模数转换器的指标主要有带宽(速度)、精度和功耗。过采样模数转换器是模数转换器中一种重要的结构，由环路滤波器、量化器和反馈数模转换器构成，近年来其应用已经从开始的音频领域扩展到通信领域。连续时间过采样模数转换器和其他类型模数转换器相比具有内生的抗混叠滤波功能，可以降低前端滤波器功耗。过采样模数转换器的带宽由采样速率(Fs)和过采样率(over-sampling ratio，OSR)共同确定；过采样模数转换器的精度由过采样率OSR、量化比特数B和噪声整形阶数L共同决定。

由于价格优势和便于大规模集成，现代集成电路(IC)主要由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现。CMOS工艺的一个重要特征就是其工艺节点在不断更新。在这个工艺特征尺寸缩减过程中，数字电路可以达到更高的工作频率(速度)和更低的功耗。为了减小面积和降低成本，现代通信芯片普遍采用片上系统(SoC)方案。在SoC中，模数转换器等模拟和混合信号电路需要和大量的数字电路、存储器生产在同一个晶片上。这使得其中的模数转换器面临着以下问题：第一,电路中信号可以利用的电压空间越来越小，信号幅度越来越小,开关电容电路中开关的导通电阻和其非线性都会增大。第二，放大器的本征增益会减小，而且很多提升放大器增益的技术受电源电压的限制不能应用到放大器的设计中。

为了解决上述模数转换器设计面临的问题，同时也为了利用工艺更新降低模数转换器功耗，近年来流行的趋势是把量化器和模数转换器的功能实现分别从电压域和模拟域转到时间域和数字域，一种技术是采用基于压控振荡器(VCO)的量化器。基于压控振荡器的量化器能够提供额外的一阶噪声整形，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性，但是压控振荡器中电压-频率传输函数的非线性是限制其性能的瓶颈。由于基于压控振荡器的量化器只能提供一阶噪声整形，为了实现二阶以上噪声整形的过采样模数转换器，还需要引入模拟积分器和反馈数模转换器(DAC)形成反馈环路。其中的模拟积分器，尤其是前端的模拟积分器是限制过采样模数转换器精度和速度的主要瓶颈，并且消耗了过采样模数转换器大部分的功耗。如何在二阶以上过采样模数转换器中消除模拟积分器是达到低功耗设计的关键和难点所在。

美国麻省理工学院的研究团队提出了不需要计数器的基于压控振荡器的量化器并且把它应用到一个三阶5bit量化的连续时间闭环过采样模数转换器中。压控振荡器的非线性被过采样模数转换器中的模拟环路滤波器抑制。该量化器的输出具有内生的动态元件匹配特性，这使得反馈数模转换器的匹配要求大幅度下降。现在电荷泵在模数转换器中的应用主要集中在流水线型模数转换器设计上，其中电荷泵用来替代高功耗的运算放大器。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，以简单的、低功耗的结构代替结构复杂、高功耗的模拟积分器，并能获得较好的精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，包括：

第一异步脉宽调制器和电荷泵，用于作为可以直接处理模拟信号的一阶低通滤波器，其中所述第一异步脉宽调制器将模拟输入信号转换成只有两个电平可以直接驱动所述电荷泵的脉冲信号，信息存储在所述脉冲信号的脉宽上；

第二异步脉宽调制器和基于压控振荡器的量化器，用于形成一个线性的、带有一阶噪声整形功能的量化器，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性；

数模转换器，用于将过采样模数转换器的数字输出转换回模拟信号；

其中所述第一异步脉宽调制器、所述电荷泵、所述第二异步脉宽调制器、所述基于压控振荡器的量化器依次连接在前向通道上，所述数模转换器连接在反馈通道上，所述数模转换器转换的模拟信号与第一异步脉宽调制器输出信号、电荷泵输出信号分别相减得到的误差信号送至所述电荷泵和所述第二异步脉宽调制器，形成闭环系统。

进一步地：

可以通过配置第一异步脉宽调制器、电荷泵和数模转换器的数量从而构成为三阶以上的过采样模数转换器。

所述电荷泵为差分结构，优选为全差分结构，以避免第一异步脉宽调制器的非理想因素对电荷泵自身电路滤波效果的影响。

所述第一、第二异步脉宽调制器各包括依次相连的带一阶无源低通滤波器的反馈回路、施密特触发器以及数字延时门电路。

通过调整所述第一异步脉宽调制器的反馈深度即输入信号幅度和反馈支路参考幅度的比值，和自振荡频率与输入信号带宽的比值，来降低所述第一异步脉宽调制器的三阶失调。

所述电荷泵和所述数模转换器设置成共用一个积分电容。

所述基于压控振荡器的量化器通过其压控振荡器将模拟电压信号转换为相位或频率信号，然后再通过数字电路处理所述相位或频率信号，以将所要的数字信号恢复出来。

所述压控振荡器在频域的模型与一阶积分器类似，基于压控振荡器的量化器相当于一阶开环过采样模数转换器。

所述第二异步脉宽调制器产生只有两个电平的脉宽调制信号，使所述压控振荡器只运行在两个频率点上。

调整过采样模数转换器的噪声传递函数和延时补偿，以消除环路延时并维持过采样模数转换器的稳定性和性能。

本发明的有益效果：

本发明的基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器在闭环二阶以上过采样模数转换器的设计中用结构简单、低功耗的电荷泵2替代结构复杂、高功耗的模拟积分器。而且，电荷泵是高度数字化的模块，没有放大器等纯模拟电路，能够充分利用CMOS工艺节点更新给数字电路带来的好处，达到较高的转换速度和较低的功耗；同时，还可以避免工艺节点更新给模拟电路带来的电压空间和放大器增益等挑战。为了让电荷泵能够处理模拟输入信号，本发明在电荷泵的前端加入一个异步脉宽调制器，异步脉宽调制器将模拟输入信号转换成只有两个电平、可以直接驱动电荷泵的脉冲信号。由于异步脉宽调制器不在模数转换器的反馈环路里面，异步脉宽调制器产生的延时并不会对过采样模数转换器的稳定性和性能产生影响。另一方面，本发明实现环路中基于压控振荡器的量化器的线性化，通过基于压控振荡器的量化器，不仅能够完成量化的功能，还能提供一阶量化噪声整形，且器件能够充分利用工艺节点更新带来的好处，达到较高的带宽和较低的功耗，同时避免了模拟电路在深亚微米工艺下的设计难点。本发明在基于压控振荡器的量化器前端加入第二异步脉宽调制器，使压控振荡器只在两个频率点上运转，有效克服非线性问题，提高了过采样模数转换器的精度。

附图说明

图1为本发明实施例基于电荷泵和压控振荡器的模数转换装置的结构原理图；

图2为本发明中的异步脉宽调制器的电路原理图；

图3为本发明中的电荷泵和反馈数模转换器的实现电路。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器包括：第一异步脉宽调制器1和电荷泵2，作为可以直接处理模拟信号的一阶低通滤波器；第二异步脉宽调制器3和基于压控振荡器的量化器4，形成一个线性的、带有一阶噪声整形功能的量化器，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性；数模转换器5，负责将过采样模数转换器的数字输出转换回模拟信号，并与第一异步脉宽调制器1输出信号、电荷泵输出信号相减得到误差信号。由于量化器输出具有内生的动态元件匹配特性，数模转换器5的元件失配不会成为过采样模数转换器的性能瓶颈。

图1所示基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器仅仅是一个二阶噪声整形的例子，该结构可以通过增加第一异步脉宽调制器、电荷泵和数模转换器的数量而扩展为三阶或者四阶过采样模数转换器。

基于上述过采样模数转换器结构，本发明的基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器的创新主要有两个方面：

(1)低功耗的电荷泵2替代模拟积分器，电荷泵2在频域上相当于一个积分器，可以起到滤波作用：

$H_{CP}\left(s\right)=\frac{I_{CP}}{2\mathrm{\Π}SC}$

其中I_CP是电荷泵中电流源的电路，C为积分电容，2∏S是拉普拉斯因子，H_CP(s)是电荷泵的频域传递函数。再者，电荷泵2是高度数字化的模块，没有放大器等纯模拟电路，能够充分利用CMOS工艺节点更新给数字电路带来的好处，达到较高的转换速度和较低的功耗。同时，可以避免工艺节点更新给模拟电路带来的电压空间和放大器增益等挑战。本发明的基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器在闭环二阶以上过采样模数转换器的设计中用结构简单、低功耗的电荷泵2替代结构复杂、高功耗的模拟积分器。为了让电荷泵2能够处理模拟输入信号，在电荷泵2的前端加入一个异步脉宽调制器1。异步脉宽调制器1的作用是把模拟输入信号转换成只有两个电平，可以直接驱动电荷泵2的脉冲信号，信息存储在脉冲信号的宽度上。由于异步脉宽调制器1不在模数转换器的反馈环路里面，异步脉宽调制器1产生的延时并不会对过采样模数转换器的稳定性和性能产生影响。

由于异步脉宽调制器1不能提供增益对后端电路的噪声和失真进行抑制，电荷泵2的电流失配和漏电流会影响其作为一个滤波器的滤波效果，降低过采样模数转换器的性能。为了减小电荷泵2的失配和漏电流问题，优选实施例中，电荷泵2可以采用差分结构。

由于异步脉宽调制器1处于信号链路的最前端，其性能直接决定了整个过采样模数转换器的性能。

异步脉宽调制器可以多种方式实现。优选地，一种低功耗异步脉宽调制器的设计如图2所示，它包括一个带一阶无源低通滤波器的反馈回路6、一个施密特触发器7以及数字延时门电路8。

异步脉宽调制器1的输出包括内生的三阶失调和大量的高频分量。

优选地，对于内生三阶失调，可以通过改变异步脉宽调制器的反馈深度M(输入信号幅度和反馈支路参考幅度的比值)和自振荡频率与输入信号带宽的比值OCR来降低三阶失调HD₃：

${\mathrm{HD}}_3=\frac{{\mathrm{\π}}^2}{216}\frac{M^2}{{(1-\frac{M^2}{2})}^2}\frac{1}{{\mathrm{OCR}}^2}$

优选地，对于异步脉宽调制器1输出包含的高频分量，可以通过优化后面的电荷泵2的设计，如全差分结构，来避免其对电路滤波效果的影响。在输入含有大量高频信号分量的情况下，电荷泵2的电流失配和漏电流会改变电荷泵输出的积分值，影响其作为一个滤波器的效果。通过采用全差分的电荷泵，不但有助于减小电荷泵电流失配、漏电流带来的误差，而且可以降低开关噪声以及电源衬底噪声对过采样模数转换器整体性能的影响。对于电荷泵2的设计，如图3所示，可以把电荷泵2和数模转换器5的设计整合在一起，共用一个积分电容9。

(2)环路中基于压控振荡器的量化器4的线性化，基于压控振荡器的量化器4先利用压控振荡器把模拟电压信号转换为相位或频率信号，然后再采用数字电路处理相位或频率信号，将想要的数字信号恢复出来。压控振荡器在频域的模型与一阶积分器类似:

$H_{VCO}\left(s\right)=\frac{2{\mathrm{\ΠK}}_{VCO}}{S}$

其中H_VCO(s)是压控振荡器的频域传递函数，K_VCO是压控振荡器的增益。这意味着基于压控振荡器的量化器4不仅能够完成量化的功能，还能提供一阶量化噪声整形。再加上过采样手段，基于压控振荡器的量化器4相当于一阶开环过采样模数转换器。由于压控振荡器和数字电路都是高度数字化的模块、基于压控振荡器的量化器4能够充分利用工艺节点更新带来的好处，达到较高的带宽和较低的功耗，同时避免了模拟电路在深亚微米工艺下的设计难点。

利用压控振荡器设计过采样模数转换器的主要挑战是压控振荡器中的电压-频率传递函数不是线性的，会限制过采样模数转换器的精度。对此，本发明成功地解决了压控振荡器电压-频率传递函数的非线性对过采样模数转换器性能的限制。本发明在压控振荡器前端加入第二异步脉宽调制器3，因为脉宽调制信号只有两个电平，这意味压控振荡器只在两个频率点上运转，自然消除了非线性问题。不过第二异步脉宽调制器3会引入一定的延时，它对过采样模数转换器稳定性和性能有影响。优选地，消除环路延时，维持过采样模数转换器稳定性和性能的方法包括调整过采样模数转换器的噪声传递函数和延时补偿等措施。对于异步脉宽调制器输出包含的高频分量，并不会损害过采样模数转换器的性能。因为就算没有异步脉宽调制器，量化器的输入信号还是被一阶噪声整形了，里面含有大量的高频量化噪声分量。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，其特征在于,包括：

第一异步脉宽调制器和电荷泵，用于作为可以直接处理模拟信号的一阶低通滤波器，其中所述第一异步脉宽调制器将模拟输入信号转换成只有两个电平可以直接驱动所述电荷泵的脉冲信号，信息存储在所述脉冲信号的脉宽上；

第二异步脉宽调制器和基于压控振荡器的量化器，用于形成一个线性的、带有一阶噪声整形功能的量化器，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性；

数模转换器，用于将过采样模数转换器的数字输出转换回模拟信号；

其中所述第一异步脉宽调制器、所述电荷泵、所述第二异步脉宽调制器、所述基于压控振荡器的量化器依次连接在前向通道上，所述数模转换器连接在反馈通道上，所述数模转换器转换的模拟信号与第一异步脉宽调制器输出信号、电荷泵输出信号分别相减得到的误差信号送至所述电荷泵和所述第二异步脉宽调制器，形成闭环系统。

2.如权利要求1所述的过采样模数转换器，其特征在于,通过配置第一异步脉宽调制器、电荷泵和数模转换器的数量从而构成为三阶以上的过采样模数转换器。

3.如权利要求1所述的过采样模数转换器，其特征在于,所述电荷泵为差分结构，优选为全差分结构，以避免第一异步脉宽调制器的非理想因素对电荷泵自身电路滤波效果的影响。

4.如权利要求1至3任一项所述的过采样模数转换器，其特征在于,所述第一、第二异步脉宽调制器各自包括依次相连的带一阶无源低通滤波器的反馈回路、施密特触发器以及数字延时门电路。

5.如权利要求1至3任一项所述的过采样模数转换器，其特征在于,通过调整所述第一异步脉宽调制器的反馈深度即输入信号幅度和反馈支路参考幅度的比值，和自振荡频率与输入信号带宽的比值，来降低所述第一异步脉宽调制器的三阶失调。

6.如权利要求1至3任一项所述的过采样模数转换器，其特征在于,所述电荷泵和所述数模转换器设置成共用一个积分电容。

7.如权利要求1至3任一项所述的过采样模数转换器，其特征在于,所述基于压控振荡器的量化器通过其压控振荡器将模拟电压信号转换为相位或频率信号，然后再通过数字电路处理所述相位或频率信号，以将所要的数字信号恢复出来。

8.如权利要求1所述的过采样模数转换器，其特征在于,所述压控振荡器在频域的模型与一阶积分器类似，基于压控振荡器的量化器相当于一阶开环过采样模数转换器。

9.如权利要求1所述的过采样模数转换器，其特征在于,所述第二异步脉宽调制器产生只有两个电平的脉宽调制信号，使所述压控振荡器只运行在两个频率点上。

10.如权利要求1所述的过采样模数转换器，其特征在于,调整过采样模数转换器的噪声传递函数和延时补偿，以消除环路延时并维持过采样模数转换器的稳定性和性能。