CN107181490A - 模数转换电路 - Google Patents

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CN107181490A CN201710150796.2A CN201710150796A CN107181490A CN 107181490 A CN107181490 A CN 107181490A CN 201710150796 A CN201710150796 A CN 201710150796A CN 107181490 A CN107181490 A CN 107181490A
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胡达千
房凯飞
文皓
黄俊杰
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/34—Analogue value compared with reference values
    • H03M1/38—Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type

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Abstract

模数转换电路，涉及模拟集成电路领域。本发明包括采样转换电容阵列、输入缩放电路、次模数转换器、比较器、采样开关、逐次逼近逻辑电路，输入缩放电路的输入端连接外部输入端，输入缩放电路的输出端通过第一采样开关连接次模数转换器的输入端，次模数转换器的输出端连接到采样转换电容阵列的第二输入端；外部输入端通过第二采样开关连接到采样转换电容阵列的第一输入端，采样转换电容阵列的输出端连接到比较器，比较器的输出端连接到逐次逼近逻辑电路的输入端，逐次逼近逻辑电路的输出端连接到采样转换电容阵列的第三输入端。本发明的有益效果为，本发明的提高输入范围模数转换器，与现有类似的模数转换器相比，采用提高输入范围结构，在对采样电容上的采样电压不进行缩放的情况下，降低了比较器输入端电压跳变的幅度，在采样噪声不变的情况下，大幅度提高了信噪比。

Description

模数转换电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域。
背景技术
输入电压范围是模数转换器应用中最常见的参数。输入电压范围决定了模数转换器能达到的最大信噪比。根据理想逐次逼近模数转换器特性，噪声主要是由量化噪声和采样热噪声决定。在量化噪声和采样热噪声一定的情况下，输入电压范围越大，模数转换器的信噪比越高。随着半导体工艺尺寸的进步，沟道尺寸越来越小，速度越来越快，但是器件耐压则越来越低，能接受的输入电压范围则越来越小，导致实际芯片的信噪比提高有限。如何利用小尺寸工艺速度快的特点实现大的输入电压范围从而在提高转换速率的基础上提高模数转换器信噪比是本专利要解决的主要问题。
以往的输入电压提高的方式是采用电阻和电容对输入电压进行缩放，使得最终经过采样电容上的输入电压范围已经减小，实际等效的输入电压已经缩小了，采用这种方式仅能扩展输入范围，但是不能提高转换器的信噪比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种提高输入范围的模数转换器结构。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，模数转换电路，其特征在于，包括采样转换电容阵列、输入缩放电路、次模数转换器、比较器、采样开关、逐次逼近逻辑电路，
输入缩放电路的输入端连接外部输入端VIN，输入缩放电路的输出端通过第一采样开关S1连接次模数转换器的输入端，次模数转换器的输出端连接到采样转换电容阵列的第二输入端；
外部输入端VIN通过第二采样开关S2连接到采样转换电容阵列的第一输入端，采样转换电容阵列的输出端连接到比较器，比较器的输出端连接到逐次逼近逻辑电路的输入端，逐次逼近逻辑电路的输出端连接到采样转换电容阵列的第三输入端。
所述采样转换电容阵列的第二输入端为转换数据的前X位的输入端，第三输入端为转换数据的余下位的输入端，X为预定整数。
本发明的有益效果为，本发明的提高输入范围模数转换器，与现有类似的模数转换器相比，采用提高输入范围结构，在对采样电容上的采样电压不进行缩放的情况下，降低了比较器输入端电压跳变的幅度，在采样噪声不变的情况下，大幅度提高了信噪比。
附图说明
图1为常用缩放电路结构示意图。
图2为次模数转换器电容采样电路示意图。
图3为主电容阵列电路图。
图4为逐次逼近逻辑电路图。
图5为本发明的模数转换器结构示意图。
图6为采样电容与其噪声等效电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步详细地描述。
电容型模数转换器采用电荷重分配阵列作为片内DAC进行比较产生转换结果。根据理想逐次逼近模数转换器特性，在量化噪声和采样热噪声一定的情况下，加载在电荷重分配阵列的输入电压范围越大，模数转换器的信噪比越高。
Vn,Cs的功率谱为
因此当开关断开时Cs上的噪声功率为
理想SNR的公式为
一般而言Pnoise为量化噪声，对于采样电容来说Pnoise包括了量化噪声和采样噪声，对于一个N为的ADC量化噪声PQ为
其中
εQ为量化误差，由于概率分布函数在无限范围内的积分等于1，所以
p(εQ)＝0,其他情况
对于一正弦波来说
而噪声功率为
所以
由此可得对于既定的开关电容为一常数，当Vin越大SNR越接近理想的SNR值。
然而随着现代半导体制造工艺的进步，器件的尺寸越来越小，工作速度越来越快，同时器件的耐压性越来越低，使得电荷重分配阵列后级比较器的工作电压也越来越低，这样限制了可加载在电荷重分配阵列的输入电压范围，导致实际芯片的信噪比提高十分有限。
本发明应用于模数转换器的结构包含采样转换电容阵列、输入缩放电路、次模数转换器、比较器、采样开关、逐次逼近逻辑。
以一款12位模数转换器为例，首先将电压VIN输入如图1所示电阻型电压缩放电路中进行电压缩放后，输出至次模数转换器(图5中标记为子ADC)的采样端。该次模数转换器为一个转换精度为4位的模数转换器(其中转换精度N＝4，冗余位K＝1，有效数据位N-K＝3)，次模数转换器的采样电路如图2所示。经过该次模数转换器转换后将3位数据输入如图3所示的主电容阵列的前三位(电容阵列C1_0、C1_1、C1_2)，这样就将电路最高翻转电压缩减8倍，可满足后级小尺寸低压器件构成的比较器工作电压。数据经过比较器处理后输出至9位逐次逼近逻辑模块进行运算(M+K＝9为后9位数据)，9位逐次逼近逻辑模块如图4所示，其转换工作过程如下：先将开关S1接1端，使得电容上极板接至VrefH，电容下极板接比较器正端，与比较器负端Vcm进行比较得到结果Vout，如果Vout<0，则控制开关S2接2端，使电容2C上极板与VrefL相接；如果Vout>0，则控制开关S2接1端，使电容2C上极板与VrefH相接。将电容2C下极板接比较器正端，与比较器负端Vcm比较，得到Vout，如果Vout>0，则控制开关S3接1端，使电容4C上极板与VrefH相接，如果Vout<0，则控制开关S3接2端，使电容4C上极板与VrefL相接。之后电容4C下极板再次接至比较器正端，与比较器负端Vcm电压进行比较得到Vout。以此类推，最终得到一个9位数据结果，将得到9位有效数据后输出至采样转换电容阵列的后9位，进而得到完整数据。
在转换过程中，由于VIN通过采样开关S2输入采样转换电容阵列，使得采样转换电容阵列的输入电压范围大大提高，进而显著提高了整体电路的信噪比；而缩放电路与次模数转换器的3位转换结果使得输入至小尺寸低耐压器件比较器的信号满足工艺需求，实现了在小尺寸低耐压工艺条件下通过提高输入电压范围提升电路信噪比的设计目标。
本发明提出一种提高输入范围的模数转换器结构，能够有效提高输入电压范围，所述模数转换器电路包括：采样转换电容阵列、输入缩放电路、次模数转换器、比较器、采样开关、逐次逼近逻辑。通过采用缩放电路及次模数转换器，将输入信号进行缩放使得其满足小尺寸低耐压器件工艺的设计要求。通过将输入信号接至采样转换电容阵列提高输入电压的范围，进而提高信噪比。

Claims (2)

1.模数转换电路，其特征在于，包括采样转换电容阵列、输入缩放电路、次模数转换器、比较器、采样开关、逐次逼近逻辑电路，
输入缩放电路的输入端连接外部输入端(VIN)，输入缩放电路的输出端通过第一采样开关(S1)连接次模数转换器的输入端，次模数转换器的输出端连接到采样转换电容阵列的第二输入端；
外部输入端(VIN)通过第二采样开关(S2)连接到采样转换电容阵列的第一输入端，采样转换电容阵列的输出端连接到比较器，比较器的输出端连接到逐次逼近逻辑电路的输入端，逐次逼近逻辑电路的输出端连接到采样转换电容阵列的第三输入端。
2.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述采样转换电容阵列的第二输入端为转换数据的前X位的输入端，第三输入端为转换数据的余下位的输入端，X为预定整数。
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