CN105281767A - 算法式模数转换器 - Google Patents

Abstract

一种算法式模数转换器，包括：一开关，用于控制模数转换器采样输入信号；一开关，其一端与开关的一端相连，用于控制模数转换器采样反馈信号；一采样保持与加法电路，其输入端与开关和开关的连接点相连，实现采样保持输入信号和反馈信号，及加上正参考电压或负参考电压的功能；一乘二放大器，其输入端与采样保持与加法电路的输出端连接，输出端与开关的另一端相连，用于将采样保持与加法电路的输出信号精确放大两倍；一开关电容放大器式比较器，其输入端与采样保持与加法电路的输出端连接，用于将采样保持与加法电路的输出信号与零电位比较形成一位数字信号。

Description

算法式模数转换器

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，涉及模数转换器，尤其涉及一种用于神经记录模拟前端的算法式模数转换器。

技术背景

模数转换器将时间和幅度连续的模拟信号转换为时间和幅度都离散的数字信号，是神经记录专用集成电路中必不可少的部件。神经电生理信号或递质信号被神经电极感测，经过放大、滤波等预处理，必须从连续的模拟信号转换为离散信号，才能进入计算机或数字信号处理电路进行高级处理、存储以及进一步的应用。模数转换器对神经记录专用集成电路的面积、功耗、记录通道数、记录速度等指标有直接或间接的影响，是神经记录专用集成电路的研究热点之一。

在传统模数转换器中，参考电压产生电路的功耗与稳定性以及比较器的失调对模数转换器的功耗与转换精度有重要影响。其中产生参考电压需要设计专门的电压基准源，而多数电压基准容易受温度影响发生漂移，受工艺偏差影响发生变化，且增大了模数转换器的功耗。比较器的失调使模数转换器的输入输出特性曲线发生横向移位，导致转换结果发生错误，限制了模数转换器的转换精度。因此消除参考电压和比较器失调对模数转换器的影响，减小功耗、提高转换精度的技术方法需要被探索。

发明内容

本发明的目的在于，提供算法式模数转换器，其特征在于正(或负)参考电压由开关电容网络对系统电源电位(或地电位)采样实现，降低了模数转换器对高精度片上电压参考的依赖，消除了电压参考的非理想因素对系统转换精度的影响，提高了模数转换器的稳定性；另外，所提出的开关电容算法式模数转换器通过与乘二电路基本相同的开关电容放大器结构实现比较器功能，消除了比较器引入的失调误差，提高了模数转换器结构上的匹配度和转换精度。

本发明提供一种算法式模数转换器，包括：

一开关，用于控制模数转换器采样输入信号；

一开关，其一端与开关的一端相连，用于控制模数转换器采样反馈信号；

一采样保持与加法电路，其输入端与开关和开关的连接点相连，实现采样保持输入信号和反馈信号，及加上正参考电压或负参考电压的功能；

一乘二放大器，其输入端与采样保持与加法电路的输出端连接，输出端与开关的另一端相连，用于将采样保持与加法电路的输出信号精确放大两倍；

一开关电容放大器式比较器，其输入端与采样保持与加法电路的输出端连接，用于将采样保持与加法电路的输出信号与零电位比较形成一位数字信号。

本发明的有益效果是减小模数转换器的功耗，提高模数转换器的稳定性和转换精度。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的结构框图；

图2是图1中的采样保持加法电路结构示意图；

图3是图1中的乘二放大器结构示意图；

图4是图1中的开关电容放大器式比较器结构示意图；

图5是图1中算法式模数转换器的工作流程图；

图6是图4中开关电容放大器式比较器采样阶段电路原理图；

图7是图4中开关电容放大器式比较器比较阶段电路原理图。

具体实施方式

请参阅图1-图7所示，本发明本发明针对传统模数转换器中参考电压产生电路和比较器限制模数转换器功耗与转换精度的问题，提出了一种算法式模数转换器设计，包括：开关1，控制模数转换器采样输入信号；开关2，其一端与开关1的一端相连，用于控制模数转换器采样反馈信号；采样保持与加法电路3，其输入端与开关1和开关2的连接点相连，实现采样保持输入信号和反馈信号，及加上正参考电压或负参考电压的功能；乘二放大器4，其输入端与采样保持与加法电路1的输出端连接，输出端与开关2的另一端相连，用于将采样保持与加法电路的输出信号精确放大两倍；开关电容放大器式比较器5，其输入端与采样保持与加法电路1的输出端连接，用于将采样保持与加法电路的输出信号与零电位比较形成一位数字信号。

其中采样保持与加法电路3包括：开关电容网络31，用于采样系统电源电位，实现生成正参考电压的功能；开关电容网络32，一端与开关电容网络31的输出端相连，形成连接点A，用于采样系统地电位，生成负参考电压；开关电容网络33，一端与开关1和开关2的连接点相连，另一端与连接点A相连，采样模数转换器的输入信号或反馈信号；反馈电容网络34，一端与连接点A相连，用于保持采样信号，将开关电容网络31、开关电容网络32和开关电容网络33的采样信号相加；运算放大器35，负输入端与连接点A相连，正输入端接半电源电位，输出端与反馈电容网络34的另一端相连。

其中乘二放大器4包括：开关电容网络41，用于对采样保持加法电路的输出信号采样；反馈电容网络42，一端与开关电容网络41的输出端相连，形成连接点B，其中电容值为开关电容网络41中电容值得一半，用于将开关电容网络41采样的信号放大两倍；运算放大器43，负输入端与连接点B相连，正输入端接半电源电位，输出端与反馈电容网络42的另一端相连。

其中开关电容放大器式比较器5包括：开关电容网络51，用于对采样保持加法电路的输出信号采样；反馈电容网络52，一端与开关电容网络51的输出端相连，形成连接点C，其中电容可以去掉，仅设计开关，用于将增大电路的增益，实现比较功能；运算放大器53，负输入端与连接点C相连，正输入端接半电源电位，输出端与反馈电容网络52的另一端相连。

算法式模数转换器工作过程首先是采样保持加法电路3采样需要转换的输入信号，然后开关电容放大器式比较器5与半电源电位比较，产生对应数字信号的一位。同时，乘二放大器4将采样信号放大，并反馈回到采样保持加法电路3的输入端。采样保持加法电路3对反馈回的信号采样，并根据上一次产生的数字信号加正参考电位或负参考电位。当输入信号大于半电源电位，加负参考电位；当输入信号小于半电源电位，加正参考电位。加减运算后的信号被保持，然后开始转换第二位，如此不断重复操作，直到转换结束开始下一次采样输入信号。

模数转换器工作过程中的正(或负)参考电压由开关电容网络对系统电源电位(或地电位)采样实现。其中，正参考电压由开关电容网络31对系统电源电位采样实现，具体电压值为：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{VDD}}\frac{C_a}{C_{\mathrm{sh}}}---\left(1\right)$

式中Ca为开关电容网络31中的电容，Csh为反馈电容网络34中的电容，VVDD为系统电源电位。负参考电压由开关电容网络31对系统地电位采样实现，具体电压值为：

$V_{\mathrm{ref}}\_=V_{\mathrm{GND}}\frac{C_s}{C_{\mathrm{sh}}}---\left(2\right)$

式中Cs为开关电容网络32中的电容，Csh为反馈电容网络34中的电容，VGND为系统地电位。

从公式(1)和公式(2)可以看出，在系统电源电位和地电位稳定的情况下，正参考电压值和负参考电压值仅由电容比例决定。由于开关电容电路中的开关以及电容比例受工艺偏差影响很小，因此降低了模数转换器对高精度片上电压参考的依赖，消除了电压参考的非理想因素对系统转换精度的影响，提高了模数转换器的稳定性。另外，开关电容电路不消耗静态电流，减小了模数转换器的功耗，简单的电路结构还可以减小模数转换器的面积。

模数转换器中的比较器由开关电容网络51、反馈电容网络52和运算放大器52组成，构成与乘二电路基本相同的开关电容放大器，不同之处是在运算放大器53的负输入端和输出端之间没有设计反馈电容，仅设计复位开关，降低反馈电容值，如此，电路的增益为：

$A=\frac{C_c}{C_p}---\left(3\right)$

其中Cp为反馈电容网络52在运算放大器53的负输入端和输出端之间的寄生电容。由于寄生电容Cp的值非常小，相比于电容Cc可以忽略，因此无反馈电容的开关电容放大器可以获得很高的增益，实现比较器功能。

开关电容放大器结构式比较器的工作过程分为两个阶段，一个是采样阶段，一个是比较阶段。在采样阶段采样电容网络51对采样保持加法电路3的输出信号采样，反馈电容网络52短路，其电路状态如图3所示。采样阶段运算放大器53为单位增益连接，其失调电压存储在运算放大器53的输入端寄生电容中。在比较阶段，反馈电容网络52开路，其电路状态如图4所示。开关电容网络51中的电荷信号转移到运算放大器53的反馈寄生电容Cp中，且由于运算放大器的失调电压已经存储在运算放大器的负输入端，因此电路将抵消了运算放大器的失调而将需要比较的信号无限放大，实现了比较功能。由此可以看出，开关电容放大器式比较器消除了比较器引入的失调误差，提高了模数转换器结构上的匹配度和转换精度。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种算法式模数转换器，包括：

一开关，用于控制模数转换器采样输入信号；

一开关，其一端与开关的一端相连，用于控制模数转换器采样反馈信号；

一采样保持与加法电路，其输入端与开关和开关的连接点相连，实现采样保持输入信号和反馈信号，及加上正参考电压或负参考电压的功能；

一乘二放大器，其输入端与采样保持与加法电路的输出端连接，输出端与开关的另一端相连，用于将采样保持与加法电路的输出信号精确放大两倍；

一开关电容放大器式比较器，其输入端与采样保持与加法电路的输出端连接，用于将采样保持与加法电路的输出信号与零电位比较形成一位数字信号。

2.根据权利要求1所述的算法式模数转换器，其中采样保持与加法电路包括：

一开关电容网络，用于采样系统电源电位，实现生成正参考电压的功能；

一开关电容网络，一端与开关电容网络的输出端相连，形成连接点，用于采样系统地电位，生成负参考电压；

一开关电容网络，一端与开关和开关的连接点相连，另一端与连接点相连，采样模数转换器的输入信号或反馈信号；

一反馈电容网络，一端与连接点相连，用于保持采样信号，将开关电容网络、开关电容网络和开关电容网络的采样信号相加；

一运算放大器，负输入端与连接点相连，正输入端接半电源电位，输出端与反馈电容网络的另一端相连。

3.根据权利要求1所述的算法式模数转换器，其中乘二放大器4包括：

一开关电容网络，用于对采样保持加法电路的输出信号采样；

一反馈电容网络，一端与开关电容网络的输出端相连，形成连接点，其中电容值为开关电容网络中电容值得一半，用于将开关电容网络采样的信号放大两倍；

一运算放大器，负输入端与连接点相连，正输入端接半电源电位，输出端与反馈电容网络的另一端相连。

4.根据权利要求1所述的算法式模数转换器，其中开关电容放大器式比较器包括：

一开关电容网络，用于对采样保持加法电路的输出信号采样；

一反馈电容网络，一端与开关电容网络的输出端相连，形成连接点，其中电容可以去掉，仅设计开关，用于将增大电路的增益，实现比较功能；

一运算放大器，负输入端与连接点相连，正输入端接半电源电位，输出端与反馈电容网络的另一端相连。

5.如权利要求2所述的算法式模数转换器设计，其中正参考电压由开关电容网络对电源电位采样实现，电压值为

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{VDD}}\frac{C_a}{C_{\mathrm{sh}}},$

式中C_a为开关电容网络中的电容，C_sh为反馈电容网络中的电容，V_VDD为系统电源电位。

6.如权利要求2所述的算法式模数转换器设计，其中负参考电压由开关电容网络对地电位采样实现，电压值为

$V_{\mathrm{ref}}\_=V_{\mathrm{GND}}\frac{C_s}{C_{\mathrm{sh}}},$

式中C_s为开关电容网络中的电容，C_sh为反馈电容网络中的电容，V_GND为系统地电位。

7.如权利要求4所述的算法式模数转换器设计，其中所提出的开关电容算法式模数转换器通过与乘二电路基本相同的开关电容放大器结构实现比较器功能，仅降低反馈电容值或将电容开路，从而消除了比较器引入的失调误差，提高了模数转换器结构上的匹配度和转换精度。