CN110504965B - 一种新型结构的两步式单斜模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟数字转换技术领域，特别涉及一种新型结构的两步式单斜模数转换器。本发明通过设置比较器201的负端输入为固定电平V_T，正端输入通过开关电容控制电路203的作用，使得正端输入包括了输入信号V_IN、固定电平V_T和斜坡电压(粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine})，这样就使得在每次量化中，比较器201都在固定电平V_T附近进行比较，减小了比较器输入失调电压的影响，实现较好的性能指标。

Description

一种新型结构的两步式单斜模数转换器

技术领域

本发明属于模拟数字转换技术领域，特别涉及一种新型结构的两步式单斜模数转换器。

背景技术

模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)将自然界连续时间、连续幅度的模拟信号转换为离散时间、离散幅度的数字信号，供电子系统进行处理。ADC的各项性能指标，包括分辨率、采样速率以及功耗等，直接影响着整个系统的处理能力。ADC作为电子系统核心模块之一，是电子系统研究与设计的热点。但由于实际的电路存在器件的失配、寄生、耦合、噪声等非理想因素的影响，以及有限的电路面积，导致实际ADC的测试结果并不能达到预先仿真的性能。因此需要仔细的设计和合适的创新结构来满足需求。

一种两步式单斜模拟数字转换器电路结构如附图1所示，包括多级比较器101、开关电容电路102、数字控制逻辑103。像素信号V_{PIX_SF}作为多级比较器101的输入之一，比较器101的输出端接数字控制逻辑103的输入端，数字控制逻辑103的输出端接开关控制电路103中开关S_H的控制端，开关控制电路102的输出端V_C接多级比较器101的输入正端。斜坡电压V_R连接到开关电容控制电路102的输入端。

在上述的两步式单斜模拟数字转换器中，首先进行的是失调消除过程，多级比较器101中的C₁电容和S₁开关通过相关双采样操作，来消除像素信号V_{PIX_SF}和多级比较器101中第一级比较器CMP_1st的失调；多级比较器101中的C₂电容和S₂开关作为多级比较器101中第二级比较器Latch_1的输入失调存储，来消除第二级比较器Latch_1的失调。然后进行输入信号采样过程，VIN为输入电压V_{PIX_SF}。

随后进行的是粗量化过程，在开关电容控制电路102中^[1]，Φ_C和Φ_H控制开关S_C和S_H为导通状态，V_R此时为粗斜坡电压，从0开始，步进到粗斜坡电压的满摆幅电压V_FS，每一次的步进值为粗斜坡电压的一个台阶值ΔC。比较器101对正端输入信号V_C和负端输入信号V_IN进行比较，粗斜坡电压V_R每步进增加ΔC，比较器101便会比较一次，若经过m次步进，比较器101的输出V_O变为高电平，则表明输入信号在mΔC<V_IN<(m+1)ΔC这个粗量化区间内，就找到了V_IN所在的粗量化区间，此时关断102中的开关S_H，电容C_H就存储了此时的粗斜坡电压值(m+1)ΔC，电容C_H的上下极板电压差V_H为(m+1)ΔC–V_REF，V_REF为一固定电平。粗斜坡电压V_R步进到满摆幅电压VFS之后，102中开关S_C关断，粗量化过程结束。

然后进行细量化操作，此时在102中，Φ_F控制的开关S_F为导通状态，V_R此时为细斜坡电压，接到102中电容C_H的下极板，由于电容C_H存储了之前的粗斜坡电压值(m+1)ΔC，则比较器的正输入端V_C为V_R+(m+1)ΔC，细斜坡电压V_R从-ΔC步进变化到V_REF，每一次的步进值为细斜坡电压的一个台阶值ΔF。V_C就从mΔC变化到(m+1)ΔC，即对V_IN所在的粗量化区间进行细量化。比较器101对正端输入信号V_C和负端输入信号V_IN进行比较，若细斜坡电压V_R经过n次步进，比较器101的输出V_O变为高电平，则表明输入信号在mΔC+(n-1)ΔF<V_IN<mΔC+nΔF这个细量化区间内。

对于上述的两步式单斜模拟数字转换器，可以看出，对于不同的输入信号，比较器是在不同的共模电平附近进行比较，而且由于比较器有限的共模抑制比，导致了比较器的输入失调随输入共模电平相关；在多级比较器101中，采用的是输入失调存储，这就要求比较器需要通过较大的功耗来得到较高的增益，以上缺点会恶化ADC的整体指标。

发明内容

针对上述的两步式单斜模拟数字转换器存在的比较器输入共模电平随输入信号变化以及高功耗的不足，本发明提供了一种新型结构的两步式单斜模数转换器，该结构将比较器的一端输入接到固定电平，比较器的另一端的输入通过开关电容控制，输入端为输入信号、斜坡电压和固定电平，使得比较器每次比较都在固定电平附近比较，减小了比较器输入失调电压的影响。以实现更好的性能指标。

本发明的技术方案为：

如附图2所示为本发明一种新型结构的两步式单斜模数转换器，包括比较器201、数字逻辑控制电路202、开关电容控制电路203和斜坡发生器204。

所述比较器201的负端输入为固定电平V_T，正端输入接开关电容控制电路203输出的信号。在每次量化中，比较器201都在V_T-1LSB_Coarse与V_T+1LSB_Coarse之间进行比较，LSB_Coarse表示一个粗量化台阶的电压值，即在固定电平V_T上下一个粗斜坡台阶的范围内进行比较，比较器的输出为D_CMP。

所述数字逻辑控制电路202根据时间顺序以及比较器201的输出结果D_CMP分阶段产生相应的控制信号：用于控制开关电容控制电路203和斜坡发生器204中的开关，以产对生输入信号V_IN和斜坡电压的控制；对斜坡发生器204中计数器的码值进行处理，得到输入信号的数字码值。斜坡电压为粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine}。

数字控制逻辑202的控制逻辑步骤：

失调消除阶段在此阶段，对比较器内部进行失调消除操作，以减小失调电压。

输入采样阶段和粗量化阶段：利用电容在断开前后的节点电荷守恒的原理，在不同的工作阶段，通过控制开关电容控制电路203开关的开启和关断，使得在粗量化阶段时，电容C_C与比较器正端相连的那一端包含了输入信号V_IN、固定电平V_T和粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}；当比较器输出结果翻转时，电容C_H会存储粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}在翻转时刻的台阶值V_{Ramp_Coarse_Roll}。

细量化阶段：利用电容在断开前后的节点电荷守恒的原理，在不同的工作阶段，通过控制开关电容控制电路203开关的开启和关断，在细量化阶段时结合粗量化阶段得到的V_{Ramp_Coarse_Roll}，使得电容C_C与比较器正端相连的那一端包含了输入信号V_IN、固定电平V_T、翻转时刻的粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse_Roll}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine}。

所述开关电容控制电路203连接外部输入信号V_IN、斜坡发生器204输出的电压信号V_{Ramp_Coarse}和V_{Ramp_Fine}，由数字逻辑控制电路202控制开关电容控制电路203输出的信号，输出的信号包括了输入信号V_IN、固定电平V_T、粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine}。

斜坡电压粗斜坡电压斜坡电压所述斜坡发生器204在数字逻辑控制电路202的开关控制作用下，其内部的计数器控制斜坡电压的输出，两个输出电压V_{Ramp_Coarse}和V_{Ramp_Fine}分别连接到开关电容控制电路203中，来为开关电容控制电路203提供粗斜坡电压和细斜坡电压。

这样就使得在每次量化中，比较器201都在固定电平V_T附近进行比较，可以减小比较器输入失调电压的影响，以实现较好的性能指标。

本发明通过设置比较器201的负端输入为固定电平V_T，正端输入通过开关电容控制电路203的作用，使得正端输入包括了输入信号V_IN、固定电平V_T和斜坡电压(粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine})，这样就使得在每次量化中，比较器201都在固定电平V_T附近进行比较，减小了比较器输入失调电压的影响，实现较好的性能指标。

附图说明

图1为现有两步式单斜模拟数字转换器电路示意图；

图2为本发明新型结构的两步式单斜模数转换器电路示意图；

图3为本发明的开关控制时序示意图。

具体实施方式

结合附图，通过实施例进一步说明本发明。

如附图2所示为本发明新型结构的两步式单斜模数转换器，包括比较器201，数字逻辑控制电路202，开关电容控制电路203，斜坡发生器204。

V_IN为整体的输入信号，连接到开关电容控制电路203中的开关S₁；开关S₁的另一端，开关S₂的一端，电容C_H的一端和电容C_C的一端都连接于P2点。电容C_C的另一端，开关S₃的一端连接到P1点，P1点连接到比较器201的正端，作为比较器201的正端输入，开关S₃的另外一端接在固定电压V_T上。电容C_H的另一端，开关S₄的一端，开关S₅的一端都接在P3点，开关S₅的另一端接于地。

比较器201的负端输入为固定电压V_T，比较器201的输出D_CMP接到数字逻辑控制电路202的输入。数字逻辑控制电路202根据时间顺序以及比较器201的输出结果D_CMP产生相应的控制信号用于开关电容控制电路203中的开关控制。

斜坡发生器204的两个输出电压V_{Ramp_Coarse}和V_{Ramp_Fine}分别连接到开关电容控制电路203中开关S₂和S₄的一端，来为开关电容控制电路203提供粗斜坡电压和细斜坡电压。

开关S₄的另一端，接斜坡发生器204输出的细斜坡电压信号V_{Ramp_Fine}，开关S₂的另一端，接斜坡发生器204输出的粗斜坡电压信号V_{Ramp_Coarse}。

本发明中，新型结构的两步式单斜模数转换器分为4个工作阶段：1-失调消除阶段，2-输入信号采样阶段，3-粗量化阶段，4-细量化阶段；

1-失调消除阶段：在此阶段，对比较器内部进行失调消除操作，以减小失调电压。

2-输入信号采样阶段：在图2中，开关电容控制电路203中，开关S₁、S₃、S₅导通，S₂、S₄断开，此时P1点的节点电荷：

Q_{P1_A}＝(V_P1-V_P2)·C_C＝(V_T-V_IN)·C_C (1)

3-粗量化阶段：

开关S₁、S₃、S₄断开，S₂、S₅导通，此时P1点的节点电荷：

Q_{P1_B}＝(V_P1-V_P2)·C_C＝(V_P1-V_{Ramp_Coarse})·C_C (2)

根据电荷守恒，则有：

Q_{P1_A}＝Q_{P1_B} (3)

得到V_P1的电压为：

V_P1＝V_T+V_{Ramp_Coarse}-V_IN (4)

即比较器的正端输入电压为V_P1，负端输入为固定电压V_T。粗量化中，粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}每次步进的台阶电压值为LSB_Coarse，当比较器的输出D_CMP翻转时，表明比较器的正端输入电压为V_P1大于了负端输入V_T，输入信号V_IN的粗量化区间值被找到了。

此时将S₅断开，翻转时刻粗斜坡电压的台阶值V_{Ramp_Coarse_Roll}保存在电容C_H中，斜坡发生器204中控制粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}的计数器码值被存储到数字逻辑控制电路202中，S₂保持开启，直到粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}上升到粗斜坡电压的终值V_{Ramp_Coarse_Final}，随后开关S₂关断。开关S₅断开前后，P3节点的电荷分别为：

开关S₅断开前：

Q_{P3_A}＝(V_P3-V_P2)·C_H＝(0-V_{Ramp_Coarse_Roll})·C_H (5)

开关S₅断开后，S₂断开前：

Q_{P3_B}＝(V_P3-V_P2)·C_H＝(V_P3-V_{Ramp_Coarse_Final})·C_H (6)

根据电荷守恒，则有：

Q_{P3_A}＝Q_{P3_B} (7)

得到V_P3的电压为：

V_P3＝V_{Ramp_Coarse_Final}-V_{Ramp_Coarse_Roll} (8)

同时，对于P2节点：

开关S₂断开前，P2的节点电荷为：

Q_{P2_A}＝(V_P2-V_P3)·C_H+(V_P2-V_P1)·C_C (9)

其中：V_P1，V_P2，V_P3的节点电压分别为：

4-细量化阶段：

粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}上升到终值V_{Ramp_Coarse_Final}，开关S₂关断，开关S₄导通，细斜坡电压接入，对于P2节点：

开关S₂断开后，P2的节点电荷为：

Q_{P2_B}＝(V_P2-V_P3)·C_H+(V_P2-V_P1)·C_C (11)

其中：V_P2节点电压未知待求，V_P1，V_P3的节点电压分别为：

根据电荷守恒，则有：

Q_{P2_A}＝Q_{P2_B} (13)

得到V_P1、V_P2的电压为：

即在细量化过程中，细量化的范围是V_{Ramp_Coarse_Roll}到(V_{Ramp_Coarse_Roll}-1LSB_Coarse)，即V_IN所在的粗量化区间。细斜坡电压从-1LSB_Coarse步进变化到0，每次步进的电压值为LSB_Fine。当比较器的输出D_CMP翻转时，表明比较器的正端输入电压为V_P1大于了负端输入V_T，输入信号V_IN的细量化区间值被找到了，斜坡发生器204中控制细斜坡电压V_{Ramp_Fine}的计数器码值被存储到数字逻辑控制电路202中。最终输入信号在粗量化阶段和细量化阶段对应的计数器码值由数字逻辑控制电路202处理，得到输入信号的数字码值。

比较器的正端输入电压为V_P1，负端输入为固定电压V_T。根据公式4和14可以看出，在粗量化阶段和细量化阶段，对于每一次不同的输入信号，比较器201每次都在(V_T-1LSB_Coarse，V_T+1LSB_Coarse)这个范围内比较，避免了传统结构中输入失调电压随输入共模电平大幅度变化而变化，提高了模数转换器的线性度。

综上所述，本发明的新型结构的两步式单斜模数转换器，其中比较器201的负端输入为固定电平V_T，正端输入通过开关电容控制电路203的作用，使得正端输入包括了输入信号V_IN、固定电平V_T和斜坡电压(粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine})，这样就使得在在每次量化中，比较器201都在(V_T-1LSB_Coarse，V_T+1LSB_Coarse)这个范围内进行比较，即在固定电平V_T上下一个粗斜坡台阶的范围内进行比较，避免了传统结构中输入失调电压随输入共模电平大幅度变化而变化，减小比较器输入失调电压的影响，以实现较好的性能指标。

Claims (3)

1.一种新型结构的两步式单斜模数转换器，其特征在于：

包括比较器201、数字逻辑控制电路202、开关电容控制电路203和斜坡发生器204；

所述比较器201的负端输入为固定电平V_T，正端输入接开关电容控制电路203输出的信号；在每次量化中，比较器201都在V_T-1LSB_Coarse与V_T+1LSB_Coarse之间进行比较，LSB_Coarse表示一个粗量化台阶的电压值，即在固定电平V_T上下一个粗斜坡台阶的范围内进行比较，比较器的输出为D_CMP；

所述数字逻辑控制电路202根据时间顺序以及比较器201的输出结果D_CMP分阶段产生相应的控制信号：用于控制开关电容控制电路203和斜坡发生器204中的开关，以产对生输入信号V_IN和斜坡信号的控制；对斜坡发生器204中计数器的码值进行处理，得到输入电压信号的数字码值；斜坡信号为粗斜坡信号V_{Ramp_Coarse}和细斜坡信号V_{Ramp_Fine}；

数字控制逻辑202的控制逻辑步骤：

失调消除阶段对比较器内部进行失调消除操作，以减小失调电压；

输入采样阶段和粗量化阶段：利用电容在断开前后的节点电荷守恒的原理，在不同的工作阶段，通过控制开关电容控制电路203开关的开启和关断，使得在粗量化阶段时，电容C_C与比较器正端相连的那一端包含了输入信号V_IN、固定电平V_T和粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}；当比较器输出结果翻转时，电容C_H会存储粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse}在翻转时刻的台阶值V_{Ramp_Coarse_Roll}；

细量化阶段：利用电容在断开前后的节点电荷守恒的原理，在不同的工作阶段，通过控制开关电容控制电路203开关的开启和关断，在细量化阶段时结合粗量化阶段得到的V_{Ramp_Coarse_Roll}，使得电容C_C与比较器正端相连的那一端包含了输入信号V_IN、固定电平V_T、翻转时刻的粗斜坡电压V_{Ramp_Coarse_Roll}和细斜坡电压V_{Ramp_Fine}；

所述开关电容控制电路203连接外部输入信号V_IN、斜坡发生器204输出的电压信号V_{Ramp_Coarse}和V_{Ramp_Fine}，由数字逻辑控制电路202控制开关电容控制电路203输出的信号，输出的信号包括了输入信号V_IN、固定电平V_T、粗斜坡电压信号V_{Ramp_Coarse}和细斜坡电压信号V_{Ramp_Fine}；

所述斜坡发生器204在数字逻辑控制电路202的开关控制作用下，其内部的计数器控制斜坡电压的输出，两个输出电压V_{Ramp_Coarse}和V_{Ramp_Fine}分别连接到开关电容控制电路203中，来为开关电容控制电路203提供粗斜坡信号和细斜坡信号。

2.如权利要求1所述新型结构的两步式单斜模数转换器，其特征在于：

所述开关电容控制电路203具体为：V_IN为整体的输入信号，连接到开关电容控制电路203中的开关S₁；开关S₁的另一端，开关S₂的一端，电容C_H的一端和电容C_C的一端都连接于P2点；电容C_C的另一端，开关S₃的一端连接到P1点，P1点连接到比较器201的正端，作为比较器201的正端输入，开关S₃的另外一端接在固定电压V_T上；电容C_H的另一端，开关S₄的一端，开关S₅的一端都接在P3点，开关S₅的另一端接于地；

开关S₄的另一端，接斜坡发生器204输出的细斜坡电压信号V_{Ramp_Fine}，开关S₂的另一端，接斜坡发生器204输出的粗斜坡电压信号V_{Ramp_Coarse}。

3.如权利要求2所述新型结构的两步式单斜模数转换器，其工作流程如下：

分为4个工作阶段：1-失调消除阶段，2-输入信号采样阶段，3-粗量化阶段，4-细量化阶段；

1-失调消除阶段：对比较器内部进行失调消除操作，以减小失调电压；

2-输入信号采样阶段：开关S₁、S₃、S₅导通，S₂、S₄断开，此时P1点的节点电荷：

Q_{P1_A}＝(V_P1-V_P2)·C_C＝(V_T-V_IN)·C_C (1)

3-粗量化阶段：开关S₁、S₃、S₄断开，S₂、S₅导通，此时P1点的节点电荷：

Q_{P1_B}＝(V_P1-V_P2)·C_C＝(V_P1-V_{Ramp_Coarse})·C_C (2)

根据电荷守恒，则有：

Q_{P1_A}＝Q_{P1_B} (3)

得到V_P1的电压为：

V_P1＝V_T+V_{Ramp_Coarse}-V_IN (4)

即比较器的正端输入电压为V_P1，负端输入为固定电压V_T；粗量化中，粗斜坡信号V_{Ramp_Coarse}每一次步进的电压值为LSB_Coarse，当比较器的输出D_CMP翻转时，表明比较器的正端输入电压为V_P1大于了负端输入V_T，输入信号V_IN的粗量化区间值被找到；

此时将S₅断开，翻转时刻粗斜坡电压的台阶值V_{Ramp_Coarse_Roll}保存在电容CH中，斜坡发生器204中控制粗斜坡信号V_{Ramp_Coarse}的计数器码值被存储到数字逻辑控制电路202中，S₂保持开启，直到粗斜坡信号V_{Ramp_Coarse}上升到粗斜坡电压的终值V_{Ramp_Coarse_Final}，随后开关S₂关断；开关S₅断开前后，P3节点的电荷分别为：

开关S₅断开前：

Q_{P3_A}＝(V_P3-V_P2)·C_H＝(0-V_{Ramp_Coarse_Roll})·C_H (5)

开关S₅断开后，S₂断开前：

Q_{P3_B}＝(V_P3-V_P2)·C_H＝(V_P3-V_{Ramp_Coarse_Final})·C_H (6)

根据电荷守恒，则有：

Q_{P3_A}＝Q_{P3_B} (7)

得到V_P3的电压为：

V_P3＝V_{Ramp_Coarse_Final}-V_{Ramp_Coarse_Roll} (8)

同时，对于P2节点：

开关S₂断开前，P2的节点电荷为：

Q_{P2_A}＝(V_P2-V_P3)·C_H+(V_P2-V_P1)·C_C (9)

其中：V_P1，V_P2，V_P3的节点电压分别为：

4-细量化阶段：粗斜坡信号V_{Ramp_Coarse}上升到终值V_{Ramp_Coarse_Final}，开关S₂关断，开关S₄导通，细斜坡信号接入，对于P2节点：

开关S₂断开后，P2的节点电荷为：

Q_{P2_B}＝(V_P2-V_P3)·C_H+(V_P2-V_P1)·C_C (11)

其中：V_P2节点电压未知待求，V_P1，V_P3的节点电压分别为：

根据电荷守恒，则有：

Q_{P2_A}＝Q_{P2_B} (13)

得到V_P2的电压为：

即在细量化过程中，细量化的范围是V_{Ramp_Coarse_Roll}到V_{Ramp_Coarse_Roll}-1LSB_Coarse，即V_IN所在的粗量化区间；细斜坡电压从-1LSB_Coarse步进变化到0，步进的电压值为LSB_Fine；当比较器的输出D_CMP翻转时，表明比较器的正端输入电压为V_P1大于了负端输入V_T，输入信号V_IN的细量化区间值被找到了，斜坡发生器204中控制细斜坡信号V_{Ramp_Fine}的计数器码值被存储到数字逻辑控制电路202中；最终输入信号在粗量化阶段和细量化阶段对应的计数器码值由数字逻辑控制电路202处理，得到输入信号的数字码值；

比较器的正端输入电压为V_P1，负端输入为固定电压V_T。

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