CN116405032A - 一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，属于集成电路技术领域，包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器；采样保持电路的输入端连接模拟输入V_in；采样保持电路的输出端与数模转换器的输出端均与环路滤波器的输入端相连；环路滤波器的输出端与比较器的输入端相连，比较器有M个输入端；比较器的输出端与逻辑控制电路的输入端相连；逻辑控制电路的输出端与数模转换器的输入端相连，用于输出N位数字码并将输出的N位数字码通过数模转换器转换成模拟电压反馈至环路滤波器进行下一步骤的操作。本发明将电容型电荷泵与无源积分相结合，实现无源无损积分的环路滤波器，具有无源积分优点同时，具有较强的噪声整形效果。

Description

一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法。

背景技术

模数转换器作为模拟域与数字域的通道，其性能要求越来越高，特别是在高精度传感器、音频解码器与可穿戴式医疗应用程序中，对高精度模数转换器的需求更大。

传统架构中，逐次逼近型架构的模数转换器能效高，功耗小，工艺兼容性好，但其具有串行转换，采样速率小的缺点，由于它对比较器噪声的要求随着位数的增加呈指数增长，限制了其高精度方面的发展；∑-△架构的模数转换器精度很高，但采样速率和能效低，功耗大，并且与先进工艺的兼容性很差，限制了其在低功耗方面的发展。

噪声整形逐次逼近型模数转换器结合了逐次逼近型模数转换器与∑-△模数转换器的优点，同时具有低功耗与高精度的性能，表现出良好的高效率与低成本的潜力。对于采用级联积分反馈架构的噪声整形逐次逼近型模数转换器，要想实现良好的噪声整形效果，最重要的是环路滤波阶段中环路滤波器的设计，在选用积分器作环路滤波器时，可分为有源积分与无源积分两种，其中，无源积分环路滤波器简单，功耗低，鲁棒性强，但噪声传输函数平滑，噪声整形效果较弱；有源积分环路滤波器可以实现清晰的噪声传输函数，具有良好的噪声整形效果，但其功耗高，对工艺变化较为敏感，电路复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的无源积分环路滤波器简单，功耗低，鲁棒性强，但噪声传输函数平滑，噪声整形效果较弱；有源积分环路滤波器可以实现清晰的噪声传输函数，具有良好的噪声整形效果，但其功耗高，对工艺变化较为敏感，电路复杂等一系列的问题，本发明提供了一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法，本发明将电容型电荷泵与无源积分相结合，实现无源无损积分的环路滤波器，使其具有无源积分优点的同时(功耗低、鲁棒性强)，具有较强的噪声整形效果(实现清晰的噪声传输函数)。同时电容型电荷泵具有一定的增益，可以补偿余量电压的部分信号损失，为后续电路的设计减小难度。

本发明通过如下技术方案实现：

一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器；采样保持电路的输入端连接模拟输入V_in，用于对模拟输入V_in进行采样保持操作；采样保持电路的输出端与数模转换器的输出端均与环路滤波器的输入端相连；环路滤波器的输出端与比较器的输入端相连，比较器有M个输入端，用于比较积分余量电压与余量电压；比较器的输出端与逻辑控制电路的输入端相连，用于将比较器结果送入逻辑控制电路进行逻辑运算；逻辑控制电路的输出端与数模转换器的输入端相连，用于输出N位数字码并将输出的N位数字码通过数模转换器转换成模拟电压反馈至环路滤波器进行下一步骤的操作。

进一步地，所述噪声整形逐次逼近型模数转换器的每一周期依次包括采样保持阶段、逐次逼近转换阶段及环路滤波阶段；所述采样保持阶段用于对模拟输入电压V_in进行采样保持，所述逐次逼近转换阶段用于对数模转换器进行开关切换，产生逐次逼近阶段所需的电压，送入比较器中，利用比较器的比较结果完成逐次逼近操作，所述环路滤波阶段用于实现噪声整形，对余量电压利用环路滤波器进行噪声整形操作，将积分后的余量电压送入到比较器中。

进一步地，所述环路滤波器包括开关φ_OUT、φ_RS、采样余量电压电容C_RES及电容型电荷泵；开关φ_OUT连接在数模转换器阵列电容C_DAC上极板和采样余量电压电容C_RES的上极板之间，开关φ_RS连接在采样余量电压电容C_RES的上极板与下极板之间(下极板接地)，采样余量电压电容C_RES的上极板与电容型电荷泵的输入端相连；所述电容型电荷泵包括多个积分电容C_INT1与多个开关；所述多个开关用于调控多个积分电容C_INT1的并联与串联；环路滤波器的工作过程包括复位阶段、余量电压采样阶段及积分阶段；其中，开关φ_OUT的导通期间用于余量电压采样阶段，开关φ_RS的导通期间用于复位阶段，电容型电荷泵的开关的导通期间用于积分阶段；采样余量电压电容C_RES用于与数模转换器阵列电容C_DAC在余量电压采样阶段进行电荷共享。

进一步地，所述积分电容包括第一积分电容与第二积分电容；所述开关包括电容型电荷泵输入端与第一积分电容上极板之间相连的开关、第一积分电容与地之间并联的两个开关、第一积分电容上极板与第二积分电容上极板之间相连的开关、第一积分电容上极板与第二积分电容下极板之间相连的开关、第二积分电容与地之间相连的开关；两个积分电容C_INT1在φ_NS1导通期间采用并联方式，在φ_{NS1_1}导通期间采用串联方式，用于一次积分阶段。

另一方面，本发明还提供了一种噪声整形逐次逼近型模数转换器的控制方法，具体包括如下步骤：

首先，在复位阶段控制采样余量电压电容C_RES的开关，对上一周期存留的电荷进行清零操作，积分电容C_INT1上的存留电荷不作清零操作；然后，通过控制采样余量电压电容C_RES的开关进行数模转换器阵列电容C_DAC与采样余量电压电容C_RES的电荷共享，进行无源采样，进入余量电压采样阶段，所述余量电压采样阶段完成在噪声整形逐次逼近型模数转换器周期中的逐次逼近转换阶段操作与环路滤波器的复位阶段操作结束后，在数模转换器上获得余量电压，所述余量电压为采样保持电路所得模拟输入电压与输出数字码对应模拟电压之间的差值，对其进行采样；然后通过控制积分电容开关，通过改变电容型电荷泵中电容的串联与并联方式，补偿传统无源积分中存在的积分损失与信号损失，实现无源无损积分。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法，通过将电容型电荷泵与无源积分相结合，实现无源无损积分，使其具有无源积分优点的同时，具有较强的噪声整形效果；同时电容型电荷泵具有一定的增益，可以补偿余量电压的部分信号损失，减小后续电路的设计难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器的结构示意图；

图2为传统无源积分信号损失与积分损失示意图；

图3为传统一阶无源积分环路滤波器的示意图；

图4为本发明的一阶无源无损积分环路滤波器的示意图；

图5为电容型电荷泵的原理图。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

实施例1

图1为本实施例提供的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器的结构示意图；所述逐次逼近型模数转换器包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器及电容型电荷泵；

本实施例提供的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器的工作过程包括采样保持阶段、逐次逼近转换阶段及环路滤波阶段；其中，采样保持电路工作于采样保持阶段，其输入端连接模拟输入V_in,用于对模拟输入V_in进行采样保持操作；比较器、逻辑控制电路、数模转换器工作于逐次逼近转换阶段，比较器的输出端与逻辑控制电路的输入端相连，用于将比较器结果送入逻辑控制电路进行逻辑运算，数模转换器的输入端相连的逻辑控制电路的输出端，通过逻辑控制电路将比较结果反馈至数模转换器，通过数模转换器转换成模拟电压反馈至环路滤波器，同时输出N位数字码；环路滤波器工作于环路滤波阶段，环路滤波器的输出端与比较器的输入端相连，比较器可有M个输入端口，用于比较积分余量电压与余量电压。

如图2所示，为传统无源积分信号损失与积分损失示意图，以一阶积分为例，为基于无源采样、一阶无源有损积分架构的噪声整形逐次逼近型模数转换器信号流图，其中，V_RES(z)为余量电压，V_INT(z)为积分余量电压，共分为以下三个阶段：第一阶段为复位阶段，通过将采样余量电压电容C_RES的上下极板接地将电容上的电荷清零，图中对此操作在图中不进行表示，此时存在

的增益损失，此损失可以通过后续的增益放大进行补偿，之后进入余量电压采样阶段；第二阶段为余量电压采样阶段，此时连接在采样余量电压电容C_RES和数模转换器阵列电容C_DAC之间的开关闭合，连接在积分电容C_INT和采样余量电压电容C_RES之间的开关断开，数模转换器阵列电容C_DAC与采样余量电压电容C_RES进行电荷共享，此时存在/>

的信号损失；第三阶段为积分阶段，此时连接在积分电容C_INT和采样余量电压电容C_RES之间的开关闭合，连接在采样余量电压电容C_RES和数模转换器阵列电容C_DAC之间的开关断开，余量电压在积分电容C_INT进行积分，此时存在/>

的积分损失。

如图3所示，为传统无源积分环路滤波器的示意图，以一阶无源积分为例，其中V_RES(z)为余量电压，V_INT(z)为余量积分电压，假设C_DAC＝C_RES＝C_INT，以此为例；在传统无源积分过程中，第一阶段为复位阶段，此时φ_S为高电平，φ₁与φ₂为低电平，即开关φ_s闭合，开关φ₁与开关φ₂断开，此过程中对采样余量电压电容C_RES的上下极板接地进行电荷清零复位，之后余量电压存在1/2的增益损失，此损失可通过后续的增益放大进行补偿；之后进入余量电压采样阶段，此时φ₁为高电平，φ_S与φ₂为低电平，即开关φ₁闭合,开关φ_S与开关φ₂断开，此过程中，余量电压在采样余量电压电容C_RES和数模转换器阵列电容C_DAC之间进行电荷共享，其电压在共享过程中发生了1/2的信号损失，此信号损失可以通过后续的增益放大进行补偿；最后进入积分阶段，此时φ₂为高电平，φ_S与φ₁为低电平，即开关φ₂闭合,开关φ_S与开关φ₁断开，此过程电压在积分过程中发生了1/2的积分损失。

根据图3中一阶传统无源积分的信号流图，可以得出积分余量电压V_INT(n)公式如下：

由公式(1)可以看到，越早的余量电压的信号损失越大，即V_RES(1)的积分损失最大，其次是V_RES(2),以此类推。

信号损失可导致噪声传输函数产生正的极点，较大的积分损失可导致噪声传输函数的零点小于1，信号损失可通过多路径比较器、增益放大器等手段进行信号增益补偿，如图3中进行增益为2的信号损失补偿，但积分损失无法通过此方法进行补偿。功耗高、电路复杂的有源积分是一种无损积分，功耗低、电路简单、鲁棒性强的无源积分所带来的是一种有损积分，有损积分导致低频下的噪声传输函数的平坦响应，导致频带内的噪声衰减减弱，因此，补偿无源积分中的信号损失与积分损失可以增强噪声整形的效果，提高噪声整形逐次逼近模数转换器的分辨率，放宽对DAC的位数要求与比较器的噪声要求。本发明将电容型电荷泵与无源积分相结合，实现一种无源无损积分环路滤波器，使其具有无源积分优点的同时，具有较强的噪声整形效果。

如图4所示为本实施例的一阶无源无损积分环路滤波器的示意图；其中，V_RES(z)为余量电压，V_INT(z)为余量积分电压，假设C_DAC＝C_RES＝C_INT，以一阶积分为例；

第一阶段为复位阶段，在周期(N-2)内的开关φ_RS接通期间，此时φ_RS与φ_{NS1_1}为高电平，φ_OUT与φ_NS1为低电平，即开关φ_RS与开关φ_{NS1_1}闭合，开关φ_OUT与开关φ_NS1断开，此过程对采样余量电压电容C_RES上的电荷进行复位清零，即将采样余量电压电容C_RES的上下极板接地，为周期(N-1)的余量电压采样阶段做准备；之后进入余量电压采样阶段，在周期(N-1)的开关φ_OUT接通期间，此时φ_OUT为高电平，φ_{NS1_1}、φ_RS与φ_NS1为低电平，即开关φ_OUT闭合，开关φ_{NS1_1}、开关φ_RS与开关φ_NS1断开，此过程中数模转换器阵列电容C_DAC与采样余量电压电容C_RES进行电荷共享，此阶段为余量电压采样阶段，其电压在共享过程中发生了1/2的增益损失，此增益损失可以通过后续的增益放大电路进行补偿；在周期(N-1)内的开关Φ_NS1接通期间，此时φ_NS1为高电平，φ_{NS1_1}、φ_RS与φ_OUT为低电平，即开关φ_NS1闭合，开关φ_{NS1_1}、开关φ_RS与开关φ_OUT断开，此过程中积分电容C_INT1采用并联方式，采样余量电压电容C_RES与积分电容C_INT1进行电荷共享，由电荷守恒原理可知，周期(N-1)内的存储在采样余量电压电容C_RES上的余量电压与周期(N-2)内存储在积分电容C_INT1上的余量电压发生了1/2的损失，其中，采样余量电压电容C_RES上的损失为信号损失，积分电容C_INT1上的损失为积分损失，此阶段为一次积分阶段；在周期(N-1)内的开关φ_{NS1_1}接通期间，此时φ_{NS1_1}为高电平，φ_NS1与φ_OUT为低电平，φ_RS在此期间经历由低电平变为高电平，即开关φ_{NS1_1}闭合，开关φ_NS1与开关φ_OUT断开，开关φ_RS在此期间经历由断开至闭合，此过程中积分电容C_INT1采用串联方式，对余量电压的信号损失与积分损失进行增益为2的补偿，在补偿期间进入周期(N-1)的复位阶段，即开关φ_RS接通，此时φ_RS与φ_{NS1_1}为高电平，φ_OUT与φ_NS1为低电平，即开关φ_RS与开关φ_{NS1_1}闭合，开关φ_OUT与开关φ_NS1断开，为周期N的余量电压采样阶段做准备。

根据图4中本实施例的一阶无源无损积分环路滤波器的信号流图，可以得出积分余量电压V_INT(n)公式如下：

由公式(2)可以看到，本发明的无源无损积分环路滤波器并不存在积分损失，即具有良好的噪声整形效果，同时还可以补偿余量电压的部分信号损失，为后续电路的设计减小难度。

如图5所示，为本发明所用电容型电荷泵的原理图，其具体工作期间的连接方式如图，假设两个电容值相等，其中，在开关φ_NS1接通期间，即电容型电荷泵输入端与左侧积分电容上极板之间相连的开关闭合，左侧积分电容与地之间并联的两个开关一个闭合一个断开，左侧积分电容上极板与右侧积分电容上极板之间相连的开关闭合，左侧积分电容上极板与右侧积分电容下极板之间相连的开关断开，右侧积分电容与地之间相连的开关闭合，此时积分电容C_INT1采用并联方式，在开关φ_{NS1_1}接通期间，即电容型电荷泵输入端与左侧积分电容上极板之间相连的开关断开，左侧积分电容与地之间并联的两个开关一个闭合一个断开，左侧积分电容上极板与右侧积分电容上极板之间相连的开关断开，左侧积分电容上极板与右侧积分电容下极板之间相连的开关闭合，右侧积分电容与地之间相连的开关断开，此时积分电容C_INT1采用串联方式，根据电荷守恒原理，开关φ_{NS1_1}期间后的电容顶级版电压为φ_NS1期间后的电容顶级版电压的二倍，即此电容型电荷泵的无源增益为2。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器；采样保持电路的输入端连接模拟输入V_in，用于对模拟输入V_in进行采样保持操作；采样保持电路的输出端与数模转换器的输出端均与环路滤波器的输入端相连；环路滤波器的输出端与比较器的输入端相连，比较器有M个输入端，用于比较积分余量电压与余量电压；比较器的输出端与逻辑控制电路的输入端相连，用于将比较器结果送入逻辑控制电路进行逻辑运算；逻辑控制电路的输出端与数模转换器的输入端相连，用于输出N位数字码并将输出的N位数字码通过数模转换器转换成模拟电压反馈至环路滤波器进行下一步骤的操作。

2.如权利要求1所述的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述噪声整形逐次逼近型模数转换器的每一周期依次包括采样保持阶段、逐次逼近转换阶段及环路滤波阶段；所述采样保持阶段用于对模拟输入电压V_in进行采样保持，所述逐次逼近转换阶段用于对数模转换器进行开关切换，产生逐次逼近阶段所需的电压，送入比较器中，利用比较器的比较结果完成逐次逼近操作，所述环路滤波阶段用于实现噪声整形，对余量电压利用环路滤波器进行噪声整形操作，将积分后的余量电压送入到比较器中。

3.如权利要求1所述的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述环路滤波器包括开关φ_OUT、φ_RS、采样余量电压电容C_RES及电容型电荷泵；开关φ_OUT连接在数模转换器阵列电容C_DAC上极板和采样余量电压电容C_RES的上极板之间，开关φ_RS连接在采样余量电压电容C_RES的上极板与下极板之间，采样余量电压电容C_RES的上极板与电容型电荷泵的输入端相连；所述电容型电荷泵包括多个积分电容C_INT1与多个开关；所述多个开关用于调控多个积分电容C_INT1的并联与串联；环路滤波器的工作过程包括复位阶段、余量电压采样阶段及积分阶段；其中，开关φ_OUT的导通期间用于余量电压采样阶段，开关φ_RS的导通期间用于复位阶段，电容型电荷泵的开关的导通期间用于积分阶段；采样余量电压电容C_RES用于与数模转换器阵列电容C_DAC在余量电压采样阶段进行电荷共享。

4.如权利要求3所述的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述积分电容包括第一积分电容与第二积分电容；所述开关包括电容型电荷泵输入端与第一积分电容上极板之间相连的开关、第一积分电容与地之间并联的两个开关、第一积分电容上极板与第二积分电容上极板之间相连的开关、第一积分电容上极板与第二积分电容下极板之间相连的开关、第二积分电容与地之间相连的开关；两个积分电容C_INT1在φ_NS1导通期间采用并联方式，在φ_{NS1_1}导通期间采用串联方式，用于一次积分阶段。

5.如权利要求1所述的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

首先，在复位阶段控制采样余量电压电容C_RES的开关，对上一周期存留的电荷进行清零操作，积分电容C_INT1上的存留电荷不作清零操作；然后，通过控制采样余量电压电容C_RES的开关进行数模转换器阵列电容C_DAC与采样余量电压电容C_RES的电荷共享，进行无源采样，进入余量电压采样阶段，所述余量电压采样阶段完成在噪声整形逐次逼近型模数转换器周期中的逐次逼近转换阶段操作与环路滤波器的复位阶段操作结束后，在数模转换器上获得余量电压，所述余量电压为采样保持电路所得模拟输入电压与输出数字码对应模拟电压之间的差值，对其进行采样；然后通过控制积分电容开关，通过改变电容型电荷泵中电容的串联与并联方式，补偿传统无源积分中存在的积分损失与信号损失，实现无源无损积分。

Images