CN117713824B - 一种高压输入连续时间模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输入连续时间模数转换器。该高压输入连续时间模数转换器包括：依次连接的滤波分压单元、第一级积分器、后级积分器和量化器；量化器的输出端通过反馈DAC反馈到第一级积分器的输入端；通过滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对输入信号进行滤波处理。本发明通过滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对输入信号进行滤波处理，实现利用低压供电解决高压输入的问题，同时集成了连续时间模数转换器的抗混叠等特性。本发明不但降低了成本，同时有利于提升模数转换器的精度。本发明可使输入电压可远高于芯片电源电压，且简化了电源设计，非常适合工业应用场合。

Description

一种高压输入连续时间模数转换器

技术领域

本发明属于电子技术领域，更具体地，涉及一种高压输入连续时间模数转换器。

背景技术

现有的模数转换器产品，来自传感器或系统的许多信号是高压和双极性的，例如±10V被广泛使用，对于单颗芯片，通常采用两个供电电压使ADC可以测量该信号，即通过额外的高压电源来适应输入范围，但该方案消耗相当大的功率，更高的电源通常会导致更高的功耗和电路板复杂性；或者使用两个芯片，高压放大器芯片把输入电压降低到低压ADC芯片能够接受的电压范围，但此方案增加了成本，且PCB电路板尺寸大。

因此，需要一种能够集成连续时间ADC的抗混叠等特性，低压供电解决高压输入的连续时间模数转换器，以降低成本，同时提高精度。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种高压输入连续时间模数转换器，实现将高压输入电压降低到模数转换器芯片的工作电压范围，降低成本的同时能够提高模数转换器的精度。

为实现上述目的，本发明提出了一种高压输入连续时间模数转换器，包括：

依次连接的滤波分压单元、第一级积分器、后级积分器和量化器；

所述量化器的输出端通过反馈DAC反馈到所述第一级积分器的输入端；

通过所述滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对所述输入信号进行滤波处理。

可选地，所述滤波分压单元包括：

四个电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

两个电容，分别为第一滤波电容和第二滤波电容。

可选地，所述第一电阻的输入端与正输入端电连接，所述第一电阻的输出端与所述第二电阻的输出端和所述第一滤波电容的第一端电连接；

所述第三电阻的输入端与负输入端电连接，所述第三电阻的输出端与所述第四电阻的输出端和所述第二滤波电容的第一端电连接；

所述第二电阻的输入端和所述第四电阻的输入端与第一共模电压输出端电连接；

所述第一滤波电容的第二端和所述第二滤波电容的第二端共同接地。

可选地，所述滤波分压单元还包括：

第一ESD保护模块和第二ESD保护模块。

可选地，所述第一ESD保护模块包括：

第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的正极与VDD端电连接，所述第二二极管的正极与VSS端电连接，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极与所述第一电阻的输出端电连接。

可选地，所述第一ESD保护模块包括：

第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的正极与VDD端电连接，所述第四二极管的正极与VSS端电连接，所述第三二极管的负极和所述第四二极管的负极与所述第三电阻的输出端电连接。

可选地，所述第一级积分器包括：

第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一放大器、第二放大器、第一积分电容和第二积分电容。

可选地，所述第五电阻的输入端与所述滤波分压单元的正输出端电连接，所述第五电阻的输出端与所述第六电阻的输出端、所述第一积分电容的第一端、所述第一放大器的正输入端、所述第二放大器的正输入端电连接；

所述第七电阻的输入端与所述滤波分压单元的负输出端电连接，所述第七电阻的输出端与所述第八电阻的输出端、所述第二积分电容的第一端、所述第一放大器的负输入端、所述第二放大器的负输入端电连接；

所述第六电阻的输入端和所述第八电阻的输入端与所述第一放大器的输出端电连接；

所述第一放大器的共模电压输入端与第二共模电压输出端电连接；

所述第一积分电容的第二端与所述第二放大器的正输出端电连接，所述第二积分电容的第二端与所述第二放大器的负输出端电连接；

所述反馈DAC的正输出端与所述第一积分电容的第一端电连接，所述反馈DAC的负输出端与所述第二积分电容的第一端电连接。

可选地，还包括：

第一开关和第二开关；

所述第一开关的第一端与所述第五电阻的输出端电连接，所述第二开关的第一端与所述第七电阻的输出端电连接，所述第一开关的第二端和所述第二开关的第二端与所述第二共模电压输入端电连接。

可选地，所述滤波分压单元、所述第五电阻、所述第七电阻、所述第一开关和所述第二开关组成单通道输入单元；

所述第六电阻、所述第八电阻、所述第一放大器、所述第二放大器、所述第一积分电容、所述第二积分电容、所述后级积分器、所述量化器和所述反馈DAC组成积分单元；

多个所述单通道输入单元、通道选择开关网络和所述积分单元组成多通道输入的连续时间模数转换器；

当单通道输入单元的第一开关和第二开关为闭合时，则所述单通道输入单元与所述积分单元不导通，反之，则所述单通道输入单元与所述积分单元导通。

本发明的有益效果在于：本发明通过滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对输入信号进行滤波处理，实现了通过低压供电解决高压输入的问题，同时集成了连续时间模数转换器的抗混叠等特性。本发明不但降低了成本，同时有利于提升模数转换器的精度。本发明的输入外部输入电压可大大高于芯片电源电压，且简化了电源设计，减小了PCB电路板尺寸，非常适合工业应用场合。

本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一种高压输入连续时间模数转换器的示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的一种高压输入连续时间模数转换器的电路图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种多通道高压输入连续时间模数转换器的电路图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如图1所示，根据本发明的一种高压输入连续时间模数转换器，包括：

依次连接的滤波分压单元、第一级积分器、后级积分器和量化器；

量化器的输出端通过反馈DAC反馈到第一级积分器的输入端；

通过滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对输入信号进行滤波处理。

具体地，本发明的高压输入连续时间模数转换器包括依次连接的滤波分压单元、第一级积分器、后级积分器和量化器，以及反馈DAC（数模转换器）；量化器的输出端通过反馈DAC反馈到第一级积分器的输入端；本发明通过滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对输入信号进行滤波处理；本发明不需要额外的高压电源或高压放大器芯片，只需要低压供电即可解决高压输入的问题，同时集成了连续时间模数转换器的抗混叠等特性，降低了成本，同时提升了模数转换器的精度，本发明的输入外部输入电压可大大高于芯片电源电压，简化了电源设计，非常适合工业应用场合。

在一个示例中，滤波分压单元包括：

四个电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

两个电容，分别为第一滤波电容和第二滤波电容。

在一个示例中，第一电阻的输入端与正输入端电连接，第一电阻的输出端与第二电阻的输出端和第一滤波电容的第一端电连接；

第三电阻的输入端与负输入端电连接，第三电阻的输出端与第四电阻的输出端和第二滤波电容的第一端电连接；

第二电阻的输入端和第四电阻的输入端与第一共模电压输出端电连接；

第一滤波电容的第二端和第二滤波电容的第二端共同接地。

具体地，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一滤波电容和第二滤波电容形成滤波网络滤除高频干扰。

在一个示例中，滤波分压单元还包括：

第一ESD保护模块和第二ESD保护模块。

具体地，ESD即Electro-Static Discharge，译为静电释放，ESD会导致电子器件严重地损坏或操作失常，因此需要ESD保护模块避免此现象发生，保护电子器件的安全。

在一个示例中，第一ESD保护模块包括：

第一二极管和第二二极管；

第一二极管的正极与VDD端电连接，第二二极管的正极与VSS端电连接，第一二极管的负极和第二二极管的负极与第一电阻的输出端电连接。

在一个示例中，第一ESD保护模块包括：

第三二极管和第四二极管；

第三二极管的正极与VDD端电连接，第四二极管的正极与VSS端电连接，第三二极管的负极和第四二极管的负极与第三电阻的输出端电连接。

在一个示例中，第一级积分器包括：

第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一放大器、第二放大器、第一积分电容和第二积分电容。

在一个示例中，第五电阻的输入端与滤波分压单元的正输出端电连接，第五电阻的输出端与第六电阻的输出端、第一积分电容的第一端、第一放大器的正输入端、第二放大器的正输入端电连接；

第七电阻的输入端与滤波分压单元的负输出端电连接，第七电阻的输出端与第八电阻的输出端、第二积分电容的第一端、第一放大器的负输入端、第二放大器的负输入端电连接；

第六电阻的输入端和第八电阻的输入端与第一放大器的输出端电连接；

第一放大器的共模电压输入端与第二共模电压输出端电连接；

第一积分电容的第二端与第二放大器的正输出端电连接，第二积分电容的第二端与第二放大器的负输出端电连接；

反馈DAC的正输出端与第一积分电容的第一端电连接，反馈DAC的负输出端与第二积分电容的第一端电连接。

具体地，第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一放大器、第二放大器、第一积分电容和第二积分电容组成ADC低压输入和第一级积分器，第六电阻、第八电阻和第一放大器形成的环路用于稳定第二放大器的输入共模电压，使其维持在第二共模电压附近。

在一个示例中，还包括：

第一开关和第二开关；

第一开关的第一端与第五电阻的输出端电连接，第二开关的第一端与第七电阻的输出端电连接，第一开关的第二端和第二开关的第二端与第二共模电压输入端电连接。

在一个示例中，滤波分压单元、第五电阻、第七电阻、第一开关和第二开关组成单通道输入单元；

第六电阻、第八电阻、第一放大器、第二放大器、第一积分电容、第二积分电容、后级积分器、量化器和反馈DAC组成积分单元；

多个单通道输入单元、通道选择开关网络和积分单元组成多通道输入的连续时间模数转换器；

当单通道输入单元的第一开关和第二开关为闭合时，则单通道输入单元与积分单元不导通，反之，则单通道输入单元与积分单元导通。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

如图2所示，本实施例提供了一种高压输入连续时间模数转换器，包括：

正输入端IN+、负输入端IN-、第一电阻R1p、第二电阻R2p、第三电阻R1n、第四电阻R2n、第一ESD保护模块、第二ESD保护模块、第一滤波电容Cfp、第二滤波电容Cfn、第五电阻R3p、第六电阻R4p、第七电阻R3n、第八电阻R4n、第一放大器A1、第二放大器A0、两个积分电容Cint、后级积分器、量化器和DAC。

第一电阻R1p的输入端与正输入端IN+电连接，第一电阻R1p的输出端与第二电阻R2p的输出端和第一滤波电容Cfp的第一端电连接；第三电阻R1n的输入端与负输入端IN-电连接，第三电阻R1n的输出端与第四电阻R2n的输出端和第二滤波电容Cfn的第一端电连接；第二电阻R2p的输入端和第四电阻R2n的输入端与第一共模电压输出端电连接；第一滤波电容Cfp的第二端和滤波电容的第二端共同接地，第一电阻R1p、第二电阻R2p、第三电阻R1n、第四电阻R2n、第一滤波电容Cfp和第二滤波电容Cfn形成滤波网络滤除高频干扰，VP和VN节点为低压节点，第一共模电压为VCM1。

第五电阻R3p的输入端与第一滤波电容Cfp的第一端电连接，第五电阻R3p的输出端与第六电阻R4p的输出端、第一积分电容Cint的第一端、第一放大器A1的正输入端、第二放大器A0的正输入端电连接；第七电阻R3n的输入端与第二滤波电容Cfn的第一端电连接，第七电阻R3n的输出端与第八电阻R4n的输出端、第二积分电容Cint的第一端、第一放大器A1的负输入端、第二放大器A0的负输入端连接；第六电阻R4p的输入端和第八电阻R4n的输入端与第一放大器A1的输出端电连接；第一放大器A1的共模电压输入端与第二共模电压输出端电连接；第一积分电容Cint的第二端与第二放大器A0的正输出端电连接，第二积分电容Cint的第二端与第二放大器A0的负输出端电连接；DAC的正输出端与一个积分电容Cint的第一端电连接，反馈DAC的负输出端与另一个积分电容Cint的第一端电连接；第二共模电压为VCM2；第五电阻R3p、第六电阻R4p、第七电阻R3n、第八电阻R4n、第一放大器A1、第二放大器A0和两个积分电容Cint组成ADC低压输入和第一级积分器，第六电阻R4p、第八电阻R4n和第一放大器A1形成的环路用于稳定第二放大器A0的输入共模电压，使其维持在第二共模电压附近，量化器的输出端通过DAC反馈到第一级积分器的输入端。

如图3所示，本实施例的高压输入连续时间模数转换器还包括：第一开关S1p和第二开关S1n；第一开关S1p的第一端与第五电阻R3p的输出端电连接，第二开关S1n的第一端与第七电阻R3n的输出端电连接，第一开关S1p的第二端和第二开关S1n的第二端与第二共模电压输入端电连接；正输入端IN+、负输入端IN-、第一电阻R1p、第二电阻R2p、第三电阻R1n、第四电阻R2n、第一ESD保护模块、第二ESD保护模块、第一滤波电容Cfp、第二滤波电容Cfn、第五电阻R3p、第七电阻R3n、第一开关S1p和第二开关S1n组成单通道输入单元；第六电阻R4p、第八电阻R4n、第一放大器A1、第二放大器A0、两个积分电容Cint、后级积分器、量化器和DAC组成积分单元；多个单通道输入单元、通道选择开关网络Mux和积分单元组成多通道输入的连续时间模数转换器，通过增加第一开关S1p和第二开关S1n，可以保证每个单通道输入单元的输入的等效阻抗不变；当单通道输入单元的第一开关S1p和第二开关S1n为闭合时，则单通道输入单元与积分单元不导通，反之，则单通道输入单元与积分单元导通。

为了方便分析，假设VCM1=VCM2=VCM，R1p=R1n=R1， R2p=R2n=R2， R3p=R3n=R3，则；/>；；如果R1=4.5R2=4.5R3，则有/>，， />；以R1=4.5R2=4.5R3计算可见，等效到ADC的差分输入信号为高压输入的1/10，VP和VN的绝对电压同样可以接受高压输入很大的变化范围，以ESD保护器件不漏电为准，VP和VN的变化范围是（0~VDD），如果芯片为单电源供电，且VDD=5V，VCM=2.5V，则输入电压的范围为 -22.5V~27.5V，远高于芯片供电电压，采用不同阻值的电阻可以改变输入电压的范围。

Claims (8)

1.一种高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，包括：

依次连接的滤波分压单元、第一级积分器、后级积分器和量化器；

所述量化器的输出端通过反馈DAC反馈到所述第一级积分器的输入端；

通过所述滤波分压单元将输入信号的电压降至模数转换器芯片的工作电压范围，并对所述输入信号进行滤波处理；

所述滤波分压单元包括：

四个电阻，分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

两个电容，分别为第一滤波电容和第二滤波电容；

所述第一电阻的输入端与正输入端电连接，所述第一电阻的输出端与所述第二电阻的输出端和所述第一滤波电容的第一端电连接；

所述第三电阻的输入端与负输入端电连接，所述第三电阻的输出端与所述第四电阻的输出端和所述第二滤波电容的第一端电连接；

所述第二电阻的输入端和所述第四电阻的输入端与第一共模电压输出端电连接；

所述第一滤波电容的第二端和所述滤波电容的第二端共同接地。

2.根据权利要求1所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，所述滤波分压单元还包括：

第一ESD保护模块和第二ESD保护模块。

3.根据权利要求2所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，所述第一ESD保护模块包括：

第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的正极与VDD电连接，所述第二二极管的正极与VSS电连接，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极与所述第一电阻的输出端电连接。

4.根据权利要求3所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，所述第一ESD保护模块包括：

第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的正极与VDD电连接，所述第四二极管的正极与VSS电连接，所述第三二极管的负极和所述第四二极管的负极与所述第三电阻的输出端电连接。

5.根据权利要求1所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，所述第一级积分器包括：

第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一放大器、第二放大器、第一积分电容和第二积分电容。

6.根据权利要求5所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，所述第五电阻的输入端与所述滤波分压单元的正输出端电连接，所述第五电阻的输出端与所述第六电阻的输出端、所述第一积分电容的第一端、所述第一放大器的正输入端、所述第二放大器的正输入端电连接；

所述第七电阻的输入端与所述滤波分压单元的负输出端电连接，所述第七电阻的输出端与所述第八电阻的输出端、所述第二积分电容的第一端、所述第一放大器的负输入端、所述第二放大器的负输入端电连接；

所述第六电阻的输入端和所述第八电阻的输入端与所述第一放大器的输出端电连接；

所述第一放大器的共模电压输入端与第二共模电压输出端电连接；

所述第一积分电容的第二端与所述第二放大器的正输出端电连接，所述第二积分电容的第二端与所述第二放大器的负输出端电连接；

所述反馈DAC的正输出端与所述第一积分电容的第一端电连接，所述反馈DAC的负输出端与所述第二积分电容的第一端电连接。

7.根据权利要求6所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，还包括：

第一开关和第二开关；

所述第一开关的第一端与所述第五电阻的输出端电连接，所述第二开关的第一端与所述第七电阻的输出端电连接，所述第一开关的第二端和所述第二开关的第二端与所述第二共模电压输入端电连接。

8.根据权利要求7所述的高压输入连续时间模数转换器，其特征在于，所述滤波分压单元、所述第五电阻、所述第七电阻、所述第一开关和所述第二开关组成单通道输入单元；

所述第六电阻、所述第八电阻、所述第一放大器、所述第二放大器、所述第一积分电容、所述第二积分电容、所述后级积分器、所述量化器和所述反馈DAC组成积分单元；

多个所述单通道输入单元、通道选择开关网络和所述积分单元组成多通道输入的连续时间模数转换器；

当单通道输入单元的第一开关和第二开关为闭合时，则所述单通道输入单元与所述积分单元不导通，反之，则所述单通道输入单元与所述积分单元导通。