CN106788439B - 积分型模数转换器转移特性的调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种积分型数模转换器转移特性的调节系统及方法，具该系统有N个积分器构成级联N级积分器结构，每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，第一个积分器的输入端接输入电压，第N个积分器的输出端接输出节点(VRAMP)，其中，N为大于或等于2的正整数；级联N级积分器中，输出节点(VRAMP)的电压的变化与时间的N次方呈正比关系。本发明利用级联多级积分器实现方式简单，后续数字信号处理更方便，可以减小ADC的转换时间，提升ADC转换速率；相对于已有的折线方式，本发明的线性度更好；而且很容易扩展至级联多级积分器。

Description

积分型模数转换器转移特性的调节系统及方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种积分型模数转换器转移特性的调节系统及方法。

背景技术

积分型模数转换器(ADC)由于其结构简单，精度较高，在现在的一些芯片中，特别是传感器芯片中，得到了较广泛的应用。然而由于其转换速率慢的缺点导致很多时候需要对传统的积分型ADC做一些改进以适合系统的需求，这种改进通常是牺牲ADC某方面的性能以换取另一方面性能的提升，以期整个系统能表现出更好的性能。

图1是传统的积分型ADC的主要结构示意图，主要由比较器(COMP)、计数器(COUNTER)以及可能需要的存储数字信号的存储器(RAM)。其工作原理如图2所示，其中红色线条表示的VIN为ADC的输入信号，黑色线条表示的VRAMP信号为ADC的参考电压信号。其中t1时刻为时序周期起始时刻，t2为VRAMP电压开始随时间上升的时刻，t3为输入VIN与VRAMP电压相交的时刻，t4为VRAMP电压随时间上升阶段的结束时刻，t2至t4时间VRAMP电压上升的电压大小设为VFS，即为ADC的满量程输入范围，t5为时序周期结束时刻，一个ADC的转换周期为t1至t5时间，即T时间。ADC量化的模拟输入信号为VIN信号和VRAMP信号初始电压(即t1～t2时间的保持恒定的电压)之差，设为ΔVIN，ADC中的计数器在t2时刻开始从0开始以固定时钟(设为CLK)计数，直至t3时刻比较器翻转结束计数，则此时输入ΔVIN时ADC输出为

其中N为ADC的分辨率。

最后，这种ADC的输入输出转移特性可表示为

ΔVIN＝kv*DN (2)

其中ΔVIN为输入信号，DN为ADC最终转换出的数字码，kv为一个固定的系数，由ADC的分辨率及最大输入信号幅度决定(即为①式中的VFS/2N)。

图3为图2中VRAMP参考电压的传统产生方式，即使用积分器或DAC产生，一般包括输入参考电压端口VREF、输出电压端口VOUT以及时序控制信号(图中未标出)，通过时序信号控制输出VOUT为恒定的初始电压，还是随时间线性变化的电压信号，输出电压VOUT即为积分型ADC的参考电压VRAMP，在随时间线性变化时，有

VRAMP＝k*Vref*t (3)

其中Vref为积分器或DAC的输入参考电压，为恒定值，t为时间，k为恒定的系数，与积分器或DAC参数设置有关。使用此参考电压的积分型ADC的输入输出转移特性如(2)式所示。

积分型ADC的转换速率因其工作原理的限制较慢，为提升其转换速率，现有的实现方案的工作如图4所示，通过改变ADC的参考电压VRAMP的波形，改为图中浅蓝色波形所示，相较于传统的黑色波形所示的VRAMP波形，浅蓝色波形主要是在积分阶段VRAMP由直线上升改为折线方式上升，通过在设定的时间点改变VRAMP电压变化的斜率。此种VRAMP电压的产生方式一般是在传统的积分器或DAC电路中增加控制信号，在特定的时间点通过控制信号使得输出的VRAMP电压在积分阶段由直线变化改为折线变化。使用此种VRAMP参考电压的积分型ADC的输入输出转移特性会有变化，后续需通过数字信号处理还原出传统的如(2)式所示的ADC转移特性。为此，后续的数字处理系统需要知道折线的转折点和VRAMP变化的斜率，由于很多时候折线会有很多个转折点，因而这种方式虽能提升ADC的转换速率(其转换周期由图示的原来的T缩短为T1时间)，但其实现方式较复杂，不容易扩展，其VRAMP电压在折线的转折点处的VRAMP电压变化不够理想，导致最终还原出来的ADC转移特性中的线性度较差。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种积分性模数转换器转移特性的调节系统，从而缩短转换周期，提升转换效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种一种积分型模数转换器转移特性的调节系统，具有N个积分器构成级联N级积分器结构，每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，第一个积分器的输入端接输入电压，第N个积分器的输出端接输出节点(VRAMP)，其中，N为大于或等于2的正整数；级联N级积分器中，输出节点(VRAMP)的电压的变化与时间的N次方呈正比关系。

优选地，每个积分器包括一个电阻、一个电容、运算跨导放大器和一个开关组成；其中，每个积分器中，运算跨导放大器的正向输入端接电压源(VCM)，所述电阻的一端接运算跨导放大器的反向输入端于一节点，所述电容的两端分别连接所述节点和所述运算跨导放大器的输出端；所述开关并联于所述电容的两端，所述电阻的另一端接该积分器的输入端；运算跨导放大器的输出端接与之相邻的另一个积分器的输入端。

优选地，所述积分器的数量为三个。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述的调节系统对积分性模数转换器转移特性进行调节的方法，其包括：

采用所述级联N级积分器结构；

将所述第一个积分器的输入端接上参考电压；

将所述第N个积分器的输出端接到输出节点(VRAMP)，并且将每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，从而使得第N个积分器的输出端所输出到输出节点(VRAMP)的电压变化与时间的N次方呈正比关系。

优选地，每个积分器包括一个电阻、一个电容、运算跨导放大器和一个开关组成；其中，针对每个积分器，将运算跨导放大器的正向输入端接电压源(VCM)，将所述电阻的一端接运算跨导放大器的反向输入端于一节点，将所述电容的两端分别连接所述节点和所述运算跨导放大器的输出端；将所述开关并联于所述电容的两端，将所述电阻的另一端接该积分器的输入端；将运算跨导放大器的输出端接与之相邻的另一个积分器的输入端。

本发明的积分型模数转换器转移特性的调节系统，利用积分器级联产生参考电压，实现方式简单，后续数字信号处理更方便，可以减小ADC的转换时间，提升ADC转换速率；相对于已有的折线方式，本发明提出的方式线性度更好；而且很容易扩展至级联多级积分器。

附图说明

图1是一种传统的单积分型ADC主要结构示意图

图2是一种传统的单积分型ADC工作原理示意图

图3是传统积分型ADC参考电压VRAMP信号产生方式示意图

图4是现有的调整积分型ADC转移特性的方法的工作原理图

图5是本发明的一个较佳实施例的一种调节积分型ADC转移特性的方法的工作原理图

图6是本发明的一个较佳实施例的调节积分型ADC转移特性的调节系统示意图

图7是本发明的一个较佳实施例的调节积分型ADC转移特性的方法中参考电压VRAMP信号产生方式的具体电路结构图

图8是本发明的一个较佳实施例的扩展的3次迭代产生参考电压VRAMP的示意图

图9是本发明的一个较佳实施例的扩展的3次迭代产生参考电压VRAMP的具体电路结构图

图10是本发明的一个较佳实施例的扩展的N次迭代产生参考电压VRAMP的示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明中，积分型模数转换器转移特性的调节系统具有N个积分器构成级联N级积分器结构，每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，第一个积分器的输入端接参考电压，第N个积分器的输出端接输出节点(VRAMP)，其中，N为大于或等于2的正整数；级联N级积分器中，输出节点(VRAMP)的电压的变化与时间的N次方呈正比关系。

在一个实施例中，每个积分器包括一个电阻、一个电容、运算跨导放大器和一个开关组成；其中，每个积分器中，运算跨导放大器的正向输入端接电压源(VCM)，电阻的一端接运算跨导放大器的反向输入端于一节点，电容的两端分别连接所述节点和所述运算跨导放大器的输出端；开关并联于电容的两端，电阻的另一端接该积分器的输入端；运算跨导放大器的输出端接与之相邻的另一个积分器的输入端。

以下结合附图5～10和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

本实施例中，以具有两个积分器的积分型模数转换器为例进行说明。请参阅图6和图7，图6是本发明的一个较佳实施例的调节积分型ADC转移特性的调节系统示意图，图7是本发明的一个较佳实施例的调节积分型ADC转移特性的方法中参考电压VRAMP信号产生方式的具体电路结构。这里为级联2级积分器结构。积分器1(Integrator 1)由运算跨导放大器OTA1、电阻R1、电容C1和开关S1组成，OTA1的反向输入端接节点V1、OTA1的正向输入端接电压源VCM、OTA1的输出端接输出节点VRAMP，电容C1的两端接节点V1和VRAMP，开关S1的两端接节点V1和VRAMP，电阻R1的两端接V1和Vref1，Vref1为积分器1的输入电压，同时也是积分器2的输出端电压。积分器2(Integrator 2)由运算放大器OTA2、电阻R2、电容C2和开关S2组成，OTA2的反向输入端接节点V3、OTA2的正向输入端接VCM电压、OTA2的输出端接输出节点Vref1，电容C2的两端接节点V3和Vref1，开关S2的两端接节点V3和Vref1，电阻R2的两端接V3和Vref。

请参阅图5并结合图6和图7，由上述两个积分器构成的级联2级积分器结构中，积分器2用于实现最终的输出节点VRAMP所输出的电压随时间的2次方呈正比关系。由积分器的特性可知，在VRAMP电压随时间开始变化的阶段，输出电压表达式如下：

其中，共模电压VCM作为VRAMP的初始电压，即t＝0时，VRAMP＝VCM。

此外，根据运算跨导放大器的输入端虚短特性，V1＝VCM，有式子⑥和⑦得到：

V3＝VCMVCM是什么，则由⑥、⑦可得

式⑧所示VRAMP电压的后一项即为时间t的二次项，可以用于积分型ADC的参考电压，以实现调节ADC的转移特性的功能。

根据ADC的工作原理，ADC以上式⑧中VRAMP电压信号的后一项即t²那一项作为参考电压，VCM只是VRAMP的输出电压。当ADC的输入为ΔVIN时，ΔVIN等于参考电压，ADC中计数器的有效计数时间Δt为

由上式得

根据ADC的工作原理，计数器在Δt时间内所计数得到的值即为ADC最终得到ΔVIN输入时转换出的数字码DN，

由于DN＝Δt*CLK

因此，以式⑧所示的VRAMP电压作为参考电压的ADC在输入为ΔVIN时的输出DN有表达式

其中，CLK为ADC中的计数器的时钟频率大小；此时ADC的转移特性可表示为下式

其中k为系数，与积分器的参数选取和ADC的计数器时钟CLK有关，即

请参阅图8和图9，图8是本发明的一个较佳实施例的扩展的3次迭代产生参考电压VRAMP的示意图，图9是本发明的一个较佳实施例的扩展的3次迭代产生参考电压VRAMP的具体电路结构图。通过图8中的级联3级积分器将输出节点VRAMP所输出的电压在积分期间的电压变化转变为与时间的3次方呈正比的关系，以此使得模数转换器ADC的转移特性中，输入信号与输出数字码的3次方呈正比。

请参阅图10，图10是本发明的一个较佳实施例的扩展的N次迭代产生参考电压VRAMP的示意图。通过级联N级积分器将输出节点VRAMP所输出的电压在积分期间的电压变化转变为与时间的N次方成正比的关系，以此使得模数转换器ADC的转移特性中输入信号与输出数字码的N次方成正比。

此外，本实施例中，还提供一种采用本实施例的上述调节系统对积分性模数转换器转移特性进行调节的方法，包括：采用级联N级积分器结构，将第一个积分器的输入端接上参考电压，将第N个积分器的输出端接到输出节点(VRAMP)，并且将每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，从而使得第N个积分器的输出端所输出到输出节点(VRAMP)的电压变化与时间的N次方呈正比关系。

具体的，由于本实施例中上述的每个积分器包括一个电阻、一个电容、运算跨导放大器和一个开关组成；针对每个积分器，将运算跨导放大器的正向输入端接电压源(VCM)，将电阻的一端接运算跨导放大器的反向输入端于一节点，将电容的两端分别连接节点和运算跨导放大器的输出端；将开关并联于所述电容的两端，将电阻的另一端接该积分器的输入端；将运算跨导放大器的输出端接与之相邻的另一个积分器的输入端。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (3)

1.一种积分型模数转换器转移特性的调节系统，其特征在于，信号产生电路具有N个积分器构成的级联N级积分器结构，每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，第一个积分器的输入端接输入电压，第N个积分器的输出端接输出节点(VRAMP)，其中，N为大于或等于2的正整数；级联N级积分器中，输出节点(VRAMP)的电压与时间的N次方呈正比关系；其中，所述积分型模数转换器包括比较器、计数器和存储器，所述比较器的输出端连接计数器的输入端，所述计数器的输出端连接存储器的输入端，信号产生电路的输出端连接所述比较器的其中一个输入端；所述比较器的另一输入端连接输入信号；每个积分器包括一个电阻、一个电容、运算跨导放大器和一个开关组成；其中，每个积分器中，运算跨导放大器的正向输入端接共模电压(VCM)，所述电阻的一端接运算跨导放大器的反向输入端于一节点，所述电容的两端分别连接所述节点和所述运算跨导放大器的输出端；所述开关并联于所述电容的两端，所述电阻的另一端接该积分器的输入端；运算跨导放大器的输出端接与之相邻的另一个积分器的输入端。

2.根据权利要求1所述的调节系统，其特征在于，所述积分器的数量为三个。

3.一种采用权利要求1所述的调节系统对积分型模数转换器转移特性进行调节的方法，其特征在于，包括：

信号产生电路中采用N个积分器构成的所述级联N级积分器结构；

将所述第一个积分器的输入端接上参考电压；

将所述第N个积分器的输出端接到输出节点(VRAMP)，并且将每个积分器的输出端与其相邻的积分器的输入端相连接，从而使得第N个积分器的输出端所输出到输出节点(VRAMP)的电压变化与时间的N次方呈正比关系。

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