CN111162787A - 无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，包括：开关电容阵列采集模拟输入信号；噪声整形电路为一个无源积分网络，输入端分别连接两个开关电容阵列的输出端，用于获取两个开关电容阵列的输出信号，无源积分网络由多个子无源积分器组成，通过对多个子无源积分器结构进行重构实现不同的电路形式；比较器的两个输入端分别连接无源积分网络的输出端，输出端连接逻辑电路输入端，用于比较噪声整形电路输出信号的大小；逻辑电路的两个输出端分别连接两个开关电容阵列的输入端，另一个输出端输出数字输出信号。该模数转换器可以在不采用运算放大器和多路输入比较器的情况下实现对积分信号的放大，结构简单、功耗低。

Description

无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别涉及一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器。

背景技术

模数转换器(Analog-to-digital converter，ADC)是一种能将现实世界中的模拟信号转换成在电子系统中的数字信号的电子器件。噪声整形逐次逼近型(SuccessiveApproximation Register，SAR)ADC是一种高精度的ADC结构，在物联网、可穿戴设备、可植入医疗电子等领域有着广泛的应用。

噪声整形SAR ADC的核心是噪声整形电路，噪声整形电路的功能是对ADC的转换余差进行积分、存储，提供必要的增益，并将其与开关电容阵列上的信号相加起来。根据电路中是否包含运算放大器等有源电路，可将噪声整形SAR ADC分为有源和无源两大类。现有的无源噪声整形SAR ADC主要以下两种实现方案。

第一种方案如图1所示，噪声整形电路部分包含两个无源积分器、两个增益级和两个加法器。各模块功能描述如下：无源积分器获取开关电容阵列上的转换余差，将其积分并存储起来，存储在无源积分器上的积分信号为Vint；由于无源积分器采用电容之间的电荷自由交换原理实现积分，积分得到的信号Vint有衰减，因此需要通过增益级将其放大，放大后的积分信号为G*Vint，其中G为增益级的增益；最后，通过加法器将开关电容阵列上的信号Vin和放大后的积分信号加起来，相加结果为Vin+G*Vint，并输送到比较器的两端。

上述方案的缺点是噪声整形电路的实现复杂度较高，稳定性差或功耗高，因为增益级和加法器都要消耗额外的硬件开销。若采用动态放大器来实现增益级，但动态放大器的电路结构较为复杂，而且稳定性较差。若采用多路输入的比较器来实现增益级和加法器，但多路输入比较器的功耗非常高。

第二种方案如图2所示，噪声整形电路部分包含一个余差获取电路和两个无源积分器。各模块功能描述如下：余差获取电路获取开关电容阵列上的转换余差，然后将获取到的余差信号输送到无源积分器；无源积分器将其余差信号积分并存储起来，存储在无源积分器上的积分信号为Vint；由于无源积分器堆叠在开关电容阵列和比较器之间，因此比较器两端的信号为Vin+2*Vint，即通过这种堆叠的方式获得了G＝2的增益。

上述方案2比方案1电路结构简单，但方案2仅能实现对积分信号的两倍增益，噪声整形效果较差，因为噪声整形效果取决于增益，增益越大，可现实的整形能力越强。此外，余差获取电路会引入较大的电路噪声，进而会降低ADC的精度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，该模数转换器可以在不采用运算放大器和多路输入比较器的情况下实现对积分信号的放大，结构简单、功耗低。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，包括：两个开关电容阵列、噪声整形电路、比较器、逻辑电路；

所述开关电容阵列的输入端采集模拟输入信号；

所述噪声整形电路为一个无源积分网络，所述无源积分网络的输入端分别连接所述两个开关电容阵列的输出端，用于获取所述两个开关电容阵列的输出信号，所述无源积分网络由多个子无源积分器组成，通过对所述多个子无源积分器结构进行重构实现不同的电路形式；

所述比较器的两个输入端分别连接所述无源积分网络的输出端，输出端连接所述逻辑电路输入端，所述比较器用于比较所述噪声整形电路输出信号的大小，并将比较结果输出到所述逻辑电路；

所述逻辑电路的两个输出端分别连接所述两个开关电容阵列的输入端，另一个输出端输出数字输出信号，所述逻辑电路用于输出数字输出信号以及对所述比较结果进行处理得到控制信号，根据所述控制信号控制所述两个开关电容阵列的输出电压。

本发明实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，通过对噪声整形电路进行重构，高效利用了电路的硬件资源，以极低的硬件成本实现了无源噪声整形SAR ADC。不需要动态放大器或多路输入的比较器来实现增益和加法器的功能，具有电路结构简单、稳定性好、功耗低的优势。此外，本方案还可以实现任意大的增益，进而可实现较强的噪声整形能力。

另外，根据本发明上述实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述模数转换器包括余差处理阶段、采样阶段和转换阶段；

在所述余量处理阶段和所述转换阶段对所述无源积分网络结构进行变形。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述余差处理阶段，将所述无源积分网络的所述多个子无源积分器相互并联，所述多个子无源积分器相互并联后的两个输入端分别连接所述两个开关电容阵列的输出端，输出端与所述比较器断开；

所述无源积分网络获取所述开关电容阵列的上一个周期的余差信号Vres，完成积分后，每个无源积分器上的积分信号均为Vint。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述采样阶段，所述开关电容阵列采集模拟输入信号Vin，所述无源积分网络为任意电路形式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述转换阶段，将所述无源积分网络分裂成两组多个子无源积分器相互串联的结构，每组子无源积分器的输入端连接所述开关电容阵列的输出端，输出端连接所述比较器的一个输入端。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述转换阶段，所述开关电容阵列的输出信号进入所述噪声整形电路，与所述噪声整形电路中已有余差信号进行整合后，输出两路信号到所述比较器；

通过所述比较器对信号大小进行比较，并将所述比较结果输出到所述逻辑电路，所述逻辑电路对所述比较结果进行处理得到所述控制信号，并通过两路信号分别控制所述两个开关电容阵列，所述开关电容阵列根据所述控制信号调节输出电压，依次循环；

当循环次数达到所述开关电容阵列的位数后，转换阶段结束，所述逻辑电路输出数字输出信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述无源积分网络通过电容和开关器件实现。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的第一种无源噪声整形SAR ADC结构框图；

图2为现有的第二种无源噪声整形SAR ADC结构框图；

图3为根据本发明一个实施例的噪声SAR ADC的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器在余差处理阶段的电路结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器在采样阶段的电路结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器在转换阶段的电路结构示意图；

图7为根据本发明一个实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器的一种实现方案示意图；

图8为根据本发明一个实施例的余差采集阶段的等效电路示意图；

图9为根据本发明一个实施例的采样阶段的等效电路示意图；

图10为根据本发明一个实施例的转换阶段的等效电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器。

如图3所示，噪声SAR ADC的结构如图3(a)所示，主要有两个开关电容阵列、噪声整形电路、比较器和逻辑电路构成。噪声SAR ADC的一次操作周期由采样、转换和余差处理三个阶段构成，其中转换阶段包含多次比较过程。结合图3(b)，其工作流程描述如下：

(1)余量处理阶段：噪声整形电路对开关电容阵列上残留的余差信号进行处理，处理结果存储在噪声整形电路中。

(2)采样阶段：开关电容阵列采集模拟输入信号。

(3)转换阶段：开关电容阵列的输出信号进入噪声整形电路，与噪声整形电路中已有的信号进行整合后，输出两路信号到比较器，比较器对信号大小进行比较，比较结果进入逻辑电路，逻辑电路对比较结果进行处理，并输出两路信号分别控制两个开关电容阵列，开关电容阵列根据控制信号调节其输出电压，依次循环；当循环次数达到开关电容阵列的位数后，转换阶段结束。

本发明的实施例对噪声整形电路进行重构，设计一种可重构的噪声整形SAR ADC，可以在不采用运算放大器和多路输入比较器的情况下实现对积分信号的放大，从而可以大幅降低电路复杂度和功耗。

图4为根据本发明一个实施例的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器在余差处理阶段的电路结构示意图。

如图4所示，无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器包括：两个开关电容阵列、噪声整形电路、比较器、逻辑电路。

其中，开关电容阵列的输入端采集模拟输入信号；

噪声整形电路为一个无源积分网络，无源积分网络的输入端分别连接两个开关电容阵列的输出端，用于获取两个开关电容阵列的输出信号，无源积分网络由多个子无源积分器组成，通过对多个子无源积分器结构进行重构实现不同的电路形式；

比较器的两个输入端分别连接无源积分网络的输出端，输出端连接逻辑电路输入端，比较器用于比较噪声整形电路输出信号的大小，并将比较结果输出到逻辑电路；

逻辑电路的两个输出端分别连接两个开关电容阵列的输入端，另一个输出端输出数字输出信号，逻辑电路用于输出数字输出信号以及对比较结果进行处理得到控制信号，根据控制信号控制两个开关电容阵列的输出电压。

可以理解的是，在模数转换器的不同阶段对噪声整形电路中的无源积分网络进行重构，可以实现不同的电路功能，结构简单，功耗低。

如图4所示，为无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器的余差处理阶段，在此阶段，无源积分网络为多个子无源积分器相互并联的形式。无源积分网络与比较器断开连接，同时无源积分网络的两个输入端与两个开关电容阵列的输出端相连，获取开关电容阵列上一周期的余差信号Vres，完成积分后，最终存储在每个子无源积分器上的积分信号均为Vint。

如图5所示，为无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器的采样阶段，开关电容阵列采集模拟输入信号Vin。在此阶段，无源积分网络可配置成任意电路形式，每个子无源积分器上仍保留上一阶段得到的积分信号Vint。

如图6所示，为无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器的转换阶段，在此阶段，无源积分网络分裂成两组相互串联的结构，每组分别连接在开关电容阵列的输出端和比较器的一个输入端之间。此时，每个子无源积分器上仍保留上Vint的积分信号。假设子无源积分器的总数为G，则比较器两端的信号为Vin+G*Vint，实现了G倍的增益和加法的功能，同时不需要额外的硬件开销来实现增益级和加法器。

进一步地，在转换阶段，开关电容阵列的输出信号进入噪声整形电路，与噪声整形电路中已有余差信号进行整合后，输出两路信号到比较器；

通过比较器对信号大小进行比较，并将比较结果输出到逻辑电路，逻辑电路对比较结果进行处理得到控制信号，并通过两路信号分别控制两个开关电容阵列，开关电容阵列根据控制信号调节输出电压，依次循环；

当循环次数达到开关电容阵列的位数后，转换阶段结束，逻辑电路输出数字输出信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，无源积分网络可通过电容和开关器件实现。

如图7所示，为无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器的一种实现方案示意图。图7(a)为电路结构图，图7中的电路结构可以实现噪声传递函数为(1-0.8z^-1)。为简便起见，图中省略了逻辑电路部分。图中的无源积分网络中共有4个子无源积分器，子无源积分器采用电容来实现，器件之间的连接与断开采用开关实现。每个开关电容电路中的总电容值为C，无源积分网络中的子电容值为C/2。开关的控制时序如图7(b)所示，控制信号为高电平表示开关闭合，信号为低电平表示开关断开。

如图8所示，在第(n-1周期)余差处理阶段，Φint为高，Φs、Φcnv和Φcmp为低。此时，比较器处于待机状态(图中已省略)，4个子积分电容相互并联从开关电容电路上获取第(n-1)周期的余差信号Vres(n-1)，该余差信号为模拟输入信号与数字输出信号之间的差值，即：

Vres(n-1)＝Vin(n-1)-Dout(n-1) (1)

余差采集阶段结束后，在第n个转换周期过程中，积分电容上的信号为：

Vint(n)＝0.8*Vint(n-1)+0.2*Vres(n-1) (2)

如图9所示，在第n周期的采样阶段，Φs为高，Φint、Φcnv和Φcmp为低。此时，比较器依然处于待机状态(图中已省略)，无源积分网络与开关电容阵列断开连接关系，每个子积分电容上依然保留积分信号Vint(n)。同时，开关电容阵列采集到第n周期的输入信号Vin(n)，该信号保存在开关电容阵列上。

如图10所示，在第n周期的转换阶段，Φcnv为高，Φs、Φint为低，Φcmp为连续脉冲信号。此时，比较器被激活，执行比较操作。无源积分网络被配置成两组电容相串联的形式，并分别连接在一个开关电容阵列的输出端和比较器的一个输入端之间。此时比较器两端的信号为：

Vcmp(n)＝Vin(n)+4Vint(n) (3)

经过数个循环的比较，转换阶段结束时，ADC将Vcmp(n)转换为当前周期的数字输出信号，其为：

Dout(n)＝Vcmp(n)+Q(n) (4)

其中，Q(n)为在第n周期的转换阶段引入的量化噪声。

将公式(1-4)结合起来，可以得到：

Dout(n)＝Vin(n)+Q(n)-0.8*Q(n-1) (5)

将公式(5)从时域转化到z域，可以得到：

Dout(z)＝Vin(z)+ (1-0.8z^-1) Q(z) (6)

即实现了对量化噪声的(1-0.8z^-1)整形。

根据本发明实施例提出的无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，通过对噪声整形电路进行重构，高效利用了电路的硬件资源，以极低的硬件成本实现了无源噪声整形SARADC。不需要动态放大器或多路输入的比较器来实现增益和加法器的功能，具有电路结构简单、稳定性好、功耗低的优势。此外，本方案还可以实现任意大的增益，进而可实现较强的噪声整形能力。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括：

两个开关电容阵列、噪声整形电路、比较器、逻辑电路；

所述开关电容阵列的输入端采集模拟输入信号；

所述噪声整形电路为一个无源积分网络，所述无源积分网络的输入端分别连接所述两个开关电容阵列的输出端，用于获取所述两个开关电容阵列的输出信号，所述无源积分网络由多个子无源积分器组成，通过对所述多个子无源积分器结构进行重构实现不同的电路形式；

所述比较器的两个输入端分别连接所述无源积分网络的输出端，输出端连接所述逻辑电路输入端，所述比较器用于比较所述噪声整形电路输出信号的大小，并将比较结果输出到所述逻辑电路；

所述逻辑电路的两个输出端分别连接所述两个开关电容阵列的输入端，另一个输出端输出数字输出信号，所述逻辑电路用于输出数字输出信号以及对所述比较结果进行处理得到控制信号，根据所述控制信号控制所述两个开关电容阵列的输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述模数转换器包括余差处理阶段、采样阶段和转换阶段；

在所述余量处理阶段和所述转换阶段对所述无源积分网络结构进行变形。

3.根据权利要求2所述的一种无源噪声的整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，

在所述余差处理阶段，将所述无源积分网络的所述多个子无源积分器相互并联，所述多个子无源积分器相互并联后的两个输入端分别连接所述两个开关电容阵列的输出端，输出端与所述比较器断开；

所述无源积分网络获取所述开关电容阵列的上一个周期的余差信号Vres，完成积分后，每个无源积分器上的积分信号均为Vint。

4.根据权利要求2所述的一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，

在所述采样阶段，所述开关电容阵列采集模拟输入信号Vin，所述无源积分网络为任意电路形式。

5.根据权利要求2所述的一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，

在所述转换阶段，将所述无源积分网络分裂成两组多个子无源积分器相互串联的结构，每组子无源积分器的输入端连接所述开关电容阵列的输出端，输出端连接所述比较器的一个输入端。

6.根据权利要求5所述的一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，

在所述转换阶段，所述开关电容阵列的输出信号进入所述噪声整形电路，与所述噪声整形电路中已有余差信号进行整合后，输出两路信号到所述比较器；

通过所述比较器对信号大小进行比较，并将所述比较结果输出到所述逻辑电路，所述逻辑电路对所述比较结果进行处理得到所述控制信号，并通过两路信号分别控制所述两个开关电容阵列，所述开关电容阵列根据所述控制信号调节输出电压，依次循环；

当循环次数达到所述开关电容阵列的位数后，转换阶段结束，所述逻辑电路输出数字输出信号。

7.根据权利要求1所述的一种无源噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述无源积分网络通过电容和开关器件实现。

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