CN118157674A - 循环型模数转换器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环型模数转换器及其方法，循环型模数转换器包括循环处理单元，循环处理单元包括余量放大器；采样电容组，选择性的对模拟输入信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号采样，并提供至余量放大器；参考电容组，选择性的对参考信号采样，并提供至余量放大器；积分电容组，选择性的接余量放大器的输入端和输出端，并对采样电容组和参考电容组的采样信号积分，循环型模数转换器的转换周期包括多次循环，在每次循环余量放大器根据所述采样信号产生循环模拟信号，在转换周期的第一次循环，积分电容组和参考电容组还配置为反向存储所述余量放大器的失调电压，以及在后续循环中对失调电压进行消除，以降低循环型模数转换器的环路失调。

Description

循环型模数转换器及其方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种循环型模数转换器及其方法。

背景技术

模数转换器(ADC)是用于将模拟信号转换为数字信号的器件。模拟信号是连续的，可以表示为声音、图像、温度等物理量，而数字信号是离散的，可以由计算机等数字设备处理。模数转换器广泛地应用于电子产品中，例如用于传感器信号、音频信号、图像信号等模拟信号的数字化。

模数转换器的工作原理是通过采样，量化和编码三个步骤将模拟信号转换为数字信号。采样是将连续的模拟信号转换为离散的信号，量化是将每个采样值转换为一个有限的数值，编码是将每个量化值转换为二进制代码。循环型模数转换器(Cyclic Analog-to-Dgital Converter，简写Cyclic ADC)具有结构简单、速度高、功耗低和面积小的优点。但是现有技术的循环型模数转换器存在较大的失调电压(即零输入条件下，模数转换器的输出漂移)，从而影响循环型模数转换器的性能。

因此，有待提出一种新的循环型模数转换器以解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种循环型模数转换器及其方法，从而可以降低循环型模数转换器的环路失调。

根据本发明的一方面，提供一种循环型模数转换器，所述循环型模数转换器包括循环处理单元，所述循环处理单元包括余量放大器，包括正相输入端、反相输入端、正相输出端以及反相输出端；采样电容组，被配置为选择性的对模拟输入信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号进行采样，并将其提供至所述余量放大器的正相输入端和反相输入端；参考电容组，被配置为选择性的对参考信号进行采样，并将其提供至所述余量放大器的正相输入端和反相输入端；以及积分电容组，被配置为选择性的连接于所述余量放大器的输入端和输出端，以及对所述采样电容组和参考电容组的采样信号进行积分，其中，所述循环型模数转换器的转换周期包括多次循环，在转换周期的每次循环，所述余量放大器根据所述采样电容组和所述参考电容组的采样信号产生循环模拟信号，在转换周期的第一次循环，所述积分电容组和所述参考电容组还配置为反向存储所述余量放大器的失调电压，以及在后续循环中对所述失调电压进行消除。

可选地，所述循环型模数转换器还包括比较单元，用于将每次循环处理产生的循环模拟信号与第一阈值电压相比较，以根据比较结果产生第一比较信号，以及将每次循环处理产生的循环模拟信号与第二阈值电压相比较，以根据比较结果产生第二比较信号，其中，在第一次循环之后的每次循环，所述参考电容组采样正参考电压、负参考电压和零电压之一作为参考信号，所述参考信号的选择与前一次循环处理产生的所述第一比较信号和所述第二比较信号相关。

可选地，所述循环处理单元在转换周期的每次循环依次经历采样阶段和放大阶段，所述反向存储失调电压通过反向存储第一次循环的采样阶段产生的循环模拟信号实现。

可选地，在转换周期的第一次循环中，在采样阶段，所述采样电容组采样所述模拟输入信号，所述积分电容组和所述参考电容组反向存储所述失调电压，所述采样电容组和所述参考电容组将采样信号提供至所述余量放大器，所述余量放大器连接为余量增益负反馈，所述余量放大器提供循环模拟信号，在放大阶段，所述采样电容组和参考电容组将采样阶段的采样信号提供至所述余量放大器，所述积分电容组对所述采样电容组和所述参考电容组的采样信号积分，所述余量放大器提供循环模拟信号；在转换周期的后续循环中，在采样阶段，所述采样电容组采样前一次循环处理产生的循环模拟信号，所述参考电容组采样所述参考信号，所述余量放大器断开与所述采样电容组和参考电容组的连接，在放大阶段，所述采样电容组和参考电容组将采样阶段的采样信号提供至所述余量放大器，所述积分电容组对所述采样电容组和所述参考电容组的采样信号积分，所述余量放大器提供循环模拟信号。

可选地，所述采样电容组包括第一采样电容和第二采样电容，在转换周期的第一次循环中，采样阶段，所述第一采样电容的第一端连接第一模拟输入信号，所述第二采样电容的第一端连接第二模拟输入信号，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端分别连接所述余量放大器的反相输入端和正相输入端，在放大阶段，所述第一采样电容和所述第二采样电容的第一端连接共模电压，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端分别连接所述余量放大器的反相输入端和正相输入端；在转换周期的后续循环中，在采样阶段，所述第一采样电容的第一端连接前一次循环处理产生的第一循环模拟信号，所述第二采样电容的第一端连接前一次循环处理产生的第二循环模拟信号，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端连接共模电压，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端断开与所述余量放大器的反相输入端和正相输入端的连接，在放大阶段，所述第一采样电容的第一端和所述第二采样电容的第一端连接所述共模电压，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端分别连接所述余量放大器的反相输入端和正相输入端，其中，所述模拟输入信号为所述第一模拟输入信号和所述第二模拟输入信号的差分信号，所述循环模拟信号为所述第一循环模拟信号和所述第二循环模拟信号的差分信号。

可选地，所述参考电容组包括第一参考电容和第二参考电容，所述第一参考电容的第二端连接所述第一采样电容的第二端，所述第二参考电容的第二端连接所述第二采样电容的第二端，在转换周期的第一次循环中，在采样阶段，所述第一参考电容的第一端连接第二循环模拟信号，所述第二参考电容的第一端连接第一循环模拟信号，在放大阶段，所述第一参考电容和所述第二参考电容的第一端连接所述共模电压；在转换周期的后续循环中，在采样阶段，所述第一参考电容的第一端和所述第二参考电容的第一端选择连接第一量化参考电压、第二量化参考电压以及共模电压之一，在放大阶段，所述第一参考电容和所述第二参考电容的第一端连接所述共模电压。

可选地，所述积分电容组包括第一积分电容，第一端连接所述余量放大器的反相输入端，第二端连接所述余量放大器的正相输出端；第二积分电容，第一端连接所述余量放大器的正相输入端，第二端连接所述余量放大器的反相输出端，其中，在转换周期的第一次循环的采样阶段，所述第一积分电容的第二端还连接所述余量放大器的反相输出端，所述第二积分电容的第二端还连接所述余量放大器的正相输出端，所述余量放大器的反相输入端和正相输出端短接，所述余量放大器的正相输入端和反相输出端短接。

根据本发明的另一方面，提供一种循环型模数转换方法，包括采样模拟输入信号以及反向存储失调电压，并根据所述模拟输入信号和所述失调电压产生循环模拟信号，以及将产生的循环模拟信号转换为相应的数字信号；采样参考信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号，并根据所述参考信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号产生循环模拟信号，以及将产生的循环模拟信号转换为相应的数字信号；重复前一步骤，直至预定次数的循环结束，其中，所述参考信号跟随前一次循环处理产生的数字信号变化。

可选地，所述反向存储失调电压通过在采样所述模拟输入信号的同时反向采样所述循环模拟信号实现。

可选地，所述反向存储失调电压包括采用参考电容组和积分电容组反向存储所述失调电压，所述失调电压为余量放大器的失调电压。

本发明提供的循环型数模转换器及其方法，利用参考电容组和积分电容组在转换周期的第一次循环的采样阶段对余量放大器的失调电压进行反向存储，之后利用循环型数模转换器每次转换对残余电压乘2的本质属性，将循环型数模转换器的环路失调几乎完全消除。此外，本发明实施例提供的循环型数模转换器仅在现有技术的循环型数模转换器的基础上增加了四个开关，电路结构简单。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了一种循环型模数转换器的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的循环型模数转换器的结构示意图；

图3a和图3b分别示出图2所示循环型模数转换器在第一次循环的不同阶段的示意性电路图；

图4a和图4b分别示出图2所示循环型模数转换器在后续循环的不同阶段的示意性电路图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了一种循环型模数转换器的结构示意图。

参见图1，循环型模数转换器100包括选择器110、循环处理单元120、比较单元130以及逻辑控制单元140(图中未示出)。

循环型模数转换器100的转换周期包括采用计数器控制的预定数量的循环次数。

选择器110在转换周期的第一次循环中，选择模拟输入信号Vip和Vin作为循环处理单元120的输入信号，在转换周期的后续循环中选择前一次循环处理产生的循环模拟信号Vop和Von和参考信号作为循环处理单元120的输入信号。其中，参考信号为参考电压Vref、-Vref和零电压之一，Vref＝Vrp-Vrn，-Vref＝Vrn-Vrp。

循环处理单元120用于在转换周期的第一次循环中，将模拟输入信号Vip和Vin转换为循环模拟信号Vop和Von，以及在转换周期的后续循环中，根据前一次循环处理产生的循环模拟信号Vop和Von与参考信号产生循环模拟信号Vop和Von。

比较单元130用于将每次循环产生的循环模拟信号Vop和Von的差分信号分别与阈值电压Vth1和Vth2进行比较，以分别产生比较信号b0和b1。其中，Vth1＞Vth2。

逻辑控制单元用于将每次循环产生的比较信号b0、b1转换为相应的数字信号Di。在转换周期的后续循环，所述参考信号的选择与前一次循环处理产生的数字信号Di相关。

可选的，在b0＝1，b1＝0时，Di＝1，循环处理单元120的输入信号为参考电压-Vref；在b0＝0，b1＝1时，Di＝-1，循环处理单元120的输入信号为参考电压Vref；在b0＝0，b1＝0时，Di＝0，循环处理单元120的输入信号为零电压。

进一步的，选择器110包括开关S1-S12。

循环处理单元120包括采样电容Cin1和Cin2、参考电容Cref1和Cref2、积分电容Cint1和Cint2以及开关S13-S20。其中，Cin1＝Cin2＝Cref1＝Cref2＝Cint1＝Cint2。

逻辑控制单元还用于控制开关S1-S20的开关切换，以控制循环处理单元120工作于多种模式，因而循环处理单元120可以在转换周期的多个阶段中对输入信号进行采样和放大。

比较单元130包括比较器131和132，比较器131的多个输入端分别接收循环模拟信号Vop和Von以及阈值电压Vth1，输出端提供比较信号b0，比较器132的多个输入端分别接收循环模拟信号Vop和Von以及阈值电压Vth2，输出端提供比较信号b1。

在转换周期的第一次循环，在采样阶段，开关S1、开关S4、开关S13-S14、开关S17-S18闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端分别接模拟输入信号Vip和Vin，参考电容Cref1和Cref2、采样电容Cin1和Cin2的第二端接共模电压Vcm，且采样电容Cin1和Cin2与余量放大器A1的连接断开，余量放大器A1连接为单位增益负反馈，使积分电容Cint1-Cint2的电荷清零。

在转换周期的第一次循环，在放大阶段，开关S3、开关S6、开关S15-S16、开关S19-S20闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端接共模电压Vcm，采样电容Cin1和参考电容Cref1的第二端接余量放大器A1的反相输入端，余量放大器A1的反相输入端与正相输出端之间接有积分电容Cint1，采样电容Cin2和参考电容Cref2的第二端接余量放大器A1的正相输入端，余量放大器A1的正相输入端与反相输出端之间接有积分电容Cint2，以使模拟输入信号Vip在积分电容Cint1上积分，模拟输入信号Vin在积分电容Cint2上积分，此时余量放大器A1输出循环模拟信号Vop₁和Von₁，比较器131和132根据循环模拟信号Vop₁和Von₁产生比较信号b0₁，b1₁。

在转换周期的后续循环，在采样阶段，开关S2、开关S5、开关S13-S14闭合，开关S7-S9的其中之一闭合，开关S10-S12的其中之一闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端分别接前一次循环处理产生的循环模拟信号Vop和Von，参考电容Cref1和Cref2的第一端根据前一次循环处理产生的数字信号Di连接参考信号。

其中，在数字信号Di＝1时，参考电容Cref1和Cref2的第一端分别连接量化参考电压Vrn和Vrp，即参考电容Cref1和Cref2采样参考信号-Vref；在数字信号Di＝-1时，参考电容Cref1和Cref2的第一端分别连接量化参考电压Vrp和Vrn，即参考电容Cref1和Cref2采样参考电压Vref；在数字信号Di＝0时，参考电容Cref1和Cref2的第一端均接共模电压Vcm，即参考电容Cref1和Cref2采样零电压。

在转换周期的后续循环，在放大阶段，开关S3、开关S6、开关S8、开关S11、开关S15-S16、开关S19-S20闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端接共模电压Vcm，采样电容Cin1的第二端接余量放大器A1的反相输入端，余量放大器A1的反相输入端与正相输出端之间接有积分电容Cint1，采样电容Cin2的第二端接余量放大器A1的正相输入端，余量放大器A1的正相输入端与反相输出端之间接有积分电容Cint2。前一次循环处理产生的循环模拟信号Vop和Von以及参考信号在积分电容Cint1和Cint2上积分，以使余量放大器A1产生循环模拟信号Vop和Von作为下一次循环时循环处理单元120的输入信号，比较器131和132根据余量放大器A1的循环模拟信号Vop和Von产生比较信号b0和b1。

假设余量放大器A1的失调电压即循环型模数转换器的环路失调为Vos，则第一次至最后一次循环依次得到的循环模拟信号Vo为：

Vo₁＝Vi+Vos

Vo₂＝2*[Vo₁+Vos]-D₁*Vref

……

Vo_N＝2*[Vo_N-1+Vos]-D_N-1*Vref

由此可推出：

其中，Vi＝Vip-Vin，Vo＝Vop-Von。

通过上述公式可以看出余量放大器A1的失调电压Vos导致了循环型模数转换器100的输出整体发生了2*Vos的偏移，这使得循环型模数转换器100的性能较差。

为了降低循环型模数转换器100的环路失调，可以在转换周期开始前，利用电容去存储余量放大器A1的失调电压，但是由于增加了存储余量放大器A1的失调电压的电容以及控制这个电容的控制逻辑和时序，导致增加了电路的复杂度，且随着转换时间的增加，存储余量放大器A1失调电压的电容上的电荷可能会慢慢泄露到零，从而使得失调电压的消除方法彻底失效。

基于此，本申请的发明人提出了一种新的循环型模数转换器。

图2示出了根据本发明实施例的循环型模数转换器的结构示意图。

参见图2，循环型模数转换器200包括选择器210、循环处理单元220、比较单元230以及逻辑控制单元(图中未示出)。

循环型模数转换器200的转换周期包括采用计数器控制的预定数量的循环次数。在转换周期的每次循环，循环型模数转换器200依次经历采样阶段和放大阶段。

选择器210在转换周期的第一次循环中，选择模拟输入信号Vip和Vin以及第一次循环的采样阶段产生的循环模拟信号Von和Vop作为循环处理单元220的输入信号，在转换周期的后续循环中选择前一次循环的放大阶段产生的循环模拟信号Vop和Von以及参考信号Vr作为循环处理单元220的输入信号。其中，参考信号Vr包括参考电压Vref、-Vref、0，Vref＝Vrp-Vrn，-Vref＝Vrn-Vrp。

循环处理单元220用于在转换周期的每次循环根据输入信号产生循环模拟信号Vo。循环模拟信号Vo为循环模拟信号Vop和Von的差分信号。

比较单元230用于将每次循环产生的循环模拟信号Vop和Von的差分信号分别与阈值电压Vth1和Vth2进行比较，以分别产生比较信号b0和b1。其中，Vth1＞Vth2。

可选的，Vth1＝0.25*[(Vrp-Vrn)]，Vth2＝-0.25*[(Vrp-Vrn)]。

逻辑控制单元用于将每次循环产生的比较信号b0、b1转换为相应的数字信号Di。在转换周期的后续循环，所述参考信号的选择与前一次循环处理产生的数字信号Di相关。

可选的，在b0＝1，b1＝0时，Di＝1，循环处理单元220的输入信号为参考电压-Vref；在b0＝0，b1＝1时，Di＝-1，循环处理单元220的输入信号为参考电压Vref；在b0＝0，b1＝0时，Di＝0，循环处理单元220的输入信号为零电压。

进一步的，选择器210包括开关S1-S12以及开关S21-S22。

循环处理单元220包括采样电容组、参考电容组、开关S13-S20、开关S23-S24、余量放大器A1以及积分电容组。采样电容组，被配置为选择性的对模拟输入信号Vi和前一次循环处理产生的循环模拟信号Vo进行采样，并将其提供至余量放大器A1；参考电容组，被配置为选择性的对参考信号Vr进行采样，并将其提供至余量放大器A1；积分电容组，被配置为选择性的连接于余量放大器A1的输入端和输出端，以及对采样电容组和参考电容组的采样信号进行积分，其中，在转换周期的第一次循环，积分电容组和参考电容组还配置为反向存储余量放大器A1的失调电压Vos，以及在后续循环中对失调电压Vos进行消除。其中，模拟输入信号Vi为模拟输入信号Vip和Vin的差分信号。

逻辑控制单元还用于控制开关S1-S24的开关切换，以控制循环处理单元220工作于多种模式，因而循环处理单元220可以在转换周期的多个阶段中对输入信号进行采样和放大。

比较单元230包括比较器231和232，比较器231的多个输入端分别接收循环模拟信号Vop和Von以及阈值电压Vth1，输出端提供比较信号b0，比较器232的多个输入端分别接收循环模拟信号Vop和Von以及阈值电压Vth2，输出端提供比较信号b1。

例如，当(Vop-Von)＞Vth1时，比较信号b0为高电平，比较信号b1为低电平；当Vth2≤(Vop-Von)≤Vth1时，比较信号b0为低电平，比较信号b1为低电平；当(Vop-Von)<Vth2时，比较信号b0为低电平，比较信号b1为高电平。

具体的，采样电容组包括采样电容Cin1和Cin2，参考电容组包括参考电容Cref1和Cref2，积分电容组包括积分电容Cint1和Cint2。其中，Cin1＝Cin2＝Cref1＝Cref2＝Cint1＝Cint2。

采样电容Cin1的第一端经开关S1-S3选择连接模拟输入信号Vip、前一次循环处理产生的循环模拟信号Vop以及共模电压Vcm之一，采样电容Cin1的第二端经开关S15连接余量放大器A1的反相输入端，采样电容Cin1的第二端经开关S13连接共模电压Vcm；采样电容Cin2的第一端经开关S4-S6选择连接模拟输入信号Vin、前一次循环处理产生的循环模拟信号Von以及共模电压Vcm之一，采样电容Cin2的第二端经开关S16连接余量放大器A1的正相输入端，采样电容Cin2的第二端经开关S14连接共模电压Vcm。

参考电容Cref1的第一端经开关S7-S9以及开关S21选择连接第一次循环的采样阶段产生的循环模拟信号Von、共模电压Vcm、量化参考电压Vrn和量化参考电压Vrp之一，参考电容Cref1的第二端连接采样电容Cin1的第二端；参考电容Cref2的第一端经开关S10-S12以及开关S22选择连接第一次循环的采样阶段产生的循环模拟信号Vop、共模电压Vcm、量化参考电压Vrn和量化参考电压Vrp之一，参考电容Cref2的第二端连接采样电容Cin2的第二端。

积分电容Cint1的第一端连接余量放大器A1的反相输入端，积分电容Cint1的第二端连接余量放大器A1的正相输出端，积分电容Cint1的第二端还经开关S23连接余量放大器A1的反相输出端；积分电容Cint2的第一端连接余量放大器A1的正相输入端，积分电容Cint2的第二端连接余量放大器A1的反相输出端，积分电容Cint2的第二端还经开关S24连接余量放大器A1的正相输出端。

余量放大器A1的反相输入端与正相输出端之间经开关S17短接，余量放大器A1的正相输入端与反相输出端之间经开关S18短接。余量放大器A1的正相输出端提供循环模拟信号Vop，余量放大器A1的反相输出端提供循环模拟信号Von。

图3a和图3b分别示出图2所示循环型模数转换器在第一次循环的不同阶段的示意性电路图。

在转换周期的第一次循环中，循环处理单元220依次经历采样阶段和放大阶段。

参见图3a，在采样阶段，开关S1、开关S4、开关S15-S18以及开关S21-S24闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端分别连接模拟输入信号Vip和Vin，以采样模拟输入信号Vip和Vin；参考电容Cref1和Cref2的第一端分别接循环模拟信号Von₀和Vop₀，以反向存储余量放大器A1的失调电压Vos；采样电容Cin1和Cin2的第二端分别连接分别余量放大器A1的反向输入端和正相输入端，余量放大器A1的反相输入端和正向输出端短接，余量放大器A1的正相输入端和反向输出端短接，余量放大器A1的正相输出端和反向输出端分别提供循环模拟信号Vop₀和Von₀；积分电容Cint1和Cint2的第二端还分别连接循环模拟信号Von₀和Vop₀，以反向存储余量放大器A1的失调电压Vos。其中，反向存储失调电压Vos是指存储电压-Vos。

此时，余量放大器A1的正向输入端和反相输入端即节点Q1和节点Q2的电荷量为：

Q1_11＝(Vos-Vip)*Cin1+Vos*Cref1+Vos*Cint1

Q2_11＝-Vin*Cin2-Vos*Cref2-Vos*Cint2

参见图3b，在放大阶段，开关S3、开关S6、开关S8、开关S11、开关S15-S16、开关S19-S20闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端连接共模电压Vcm，参考电容Cref1和Cref2的第一端连接共模电压Vcm，采样电容Cin1的第二端连接余量放大器A1的反相输入端，采样电容Cin2的第二端连接余量放大器A1的正相输入端，余量放大器A1的正相输出端和反相输出端分别提供循环模拟信号Vop₁和Von₁。模拟输入信号Vip和循环模拟信号Von₁在积分电容Cint1上进行积分，模拟输入信号Vin和循环模拟信号Vop₁在积分电容Cint2上进行积分，比较器231和232根据循环模拟信号Vop₁和Von₁产生比较信号b0₁、b1₁。

此时，节点Q1和节点Q2的电荷量为：

Q1_12＝Vos*Cin1+Vos*Cref1+(Vos-Vop₁)*Cint1

Q2_12＝-Von₁*Cint2

根据电荷守恒定律有：

(Vos-Vip)*Cin1+Vos*Cref1+Vos*Cint1

＝Vos*Cin1+Vos*Cref1+(Vos-Vop₁)*Cint1

-Vin*Cin2-Vos*Cref2-Vos*Cint2＝-Von₁*Cint2

所以

Vi*Cin-Vos*Cref-Vos*Cint＝Vo₁*Cint

则第一次循环处理产生的循环模拟信号Vo₁为：

其中，Cin表示采样电容Cin1/Cin2的电容值，Cint表示积分电容Cint1/Cint2的电容值，Cref表示参考电容Cref1/Cref2的电容值，Vo₁表示循环模拟信号Vop₁和Von₁的差分信号。

图4a和图4b分别示出图2所示循环型模数转换器在后续循环的不同阶段的示意性电路图。

在转换周期的后续循环中，循环处理单元220同样依次经历采样阶段和放大阶段。

参加图4a，在采样阶段，开关S2、开关S5、开关S13-S14闭合，开关S7-S9的其中之一闭合，开关S10-S12的其中之一闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端分别连接前一次循环产生的循环模拟信号Vop和Von，以采样前一次循环处理产生的循环模拟信号Vop和Von；采样电容Cin1的第二端连接余量放大器A1的反相输入端，采样电容Cin2的第二端连接余量放大器A1的正相输入端。

在Di＝1时，开关S7和S10闭合，参考电容Cref1和Cref2的第一端分别连接量化参考电压Vrn和Vrp，即参考电容组采样参考电压-Vref；在Di＝-1时，开关S9和S12闭合，参考电容Cref1和Cref2的第一端分别连接量化参考电压Vrp和Vrn，即参考电容组采样参考电压Vref；在Di＝0时，开关S8和S11闭合，参考电容Cref1和Cref2的第一端分别连接共模电压Vcm，即参考电容组采样零电压。

参加图4b，在放大阶段，开关S3、开关S6、开关S8、开关S11、开关S15-S16、开关S19-S20闭合，其余开关断开。此时，采样电容Cin1和Cin2的第一端连接共模电压Vcm，参考电容Cref1和Cref2的第一端连接共模电压Vcm，采样电容Cin1的第二端连接余量放大器A1的反相输入端，采样电容Cin2的第二端连接余量放大器A1的正相输入端。采样电容组和积分电容组在采样阶段的采样信号在积分电容组上进行积分，余量放大器A1的正相输出端和反相输出端分别产生循环模拟信号Vop和Von，比较器231和232根据余量放大器A1产生的循环模拟信号Vop和Von产生比较信号b0、b1。

则在第二次循环的采样阶段，节点Q1和节点Q2的电荷量为：

Q1_21＝(Vos-Vop₁)*Cint1-Vop₁*Cin1-D₁*Vrn*Cref1

Q2_21＝-Von₁*Cint2-Von₁*Cin2-D₁*Vrp*Cref2

在第二次循环的放大阶段，节点Q1和节点Q2的电荷量为：

Q1_22＝Vos*Cin1+Vos*Cref1+(Vos-Vop₂)*Cint1

Q2_22＝-Von₂*Cint2

根据电荷守恒定律有：

Vos*Cin1+Vos*Cref1+(Vos-Vop₂)*Cint1

＝(Vos-Vop₁)*Cint1-Vop₁*Cin1-D₁*Vrn*Cref1

-Von₂*Cint2＝-Von₁*Cint2-Von₁*Cin2-D₁*Vrp*Cref2

由此推出：

Vo₂*Cint-Vos*Cin-Vos*Cref＝Vo₁*Cint-D₁*Vr*Cref+Vo₁*Cin

则第二次循环处理产生的循环模拟信号Vo₂为：

其中，Vo₂＝Vop₂-Von₂。

则第N次循环处理产生的循环模拟信号Vo_N为：

其中，Vo_N＝Vop_N-Von_N。

模拟输入信号Vi表示为：

其中，Vi＝Vip-Vin。

通过上述公式可知，采用循环型数模转换器200与采用循环型模数转换器100相比，循环型数模转换器的环路失调被缩小了2^N-1倍。

本发明实施例提供的循环型数模转换器200，利用参考电容组和积分电容组在第一次循环的采样阶段对余量放大器A1的失调电压Vos进行反向存储，之后利用循环型数模转换器200每次转换对残余电压乘2的本质属性，将循环型数模转换器200的环路失调几乎完全消除。此外，循环型数模转换器200仅在循环型数模转换器100的基础上增加了四个开关，电路结构简单。

本发明还根据图2所示的循环型模数转换器200提出了相应的循环型模数转换方法，包括以下步骤：

在步骤S01中，采样模拟输入信号Vi以及反向存储失调电压Vos，并根据模拟输入信号Vi和失调电压Vos产生循环模拟信号Vo，以及将产生的循环模拟信号Vo转换为相应的数字信号Di；

其中，在步骤S01中，反向存储失调电压Vos通过在采样模拟输入信号Vi的同时反向采样循环模拟信号Vo实现，即通过反向采样第一次循环的采样阶段的循环模拟信号Vo实现。反向存储失调电压Vos包括：采用参考电容组和积分电容组反向采样失调电压Vos，所述失调电压Vos为余量放大器A1的失调电压。反向存储失调电压Vos指的是存储电压-Vos。

在步骤S02中，采样参考信号Vr和前一次循环处理产生的循环模拟信号Vo，并根据和参考信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号Vo产生循环模拟信号Vo，以及将产生的循环模拟信号Vo转换为相应的数字信号Di；

重复步骤S02，直至转换周期预定次数的循环结束。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种循环型模数转换器，所述循环型模数转换器包括循环处理单元，所述循环处理单元包括：

余量放大器，包括正相输入端、反相输入端、正相输出端以及反相输出端；

采样电容组，被配置为选择性的对模拟输入信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号进行采样，并将其提供至所述余量放大器的正相输入端和反相输入端；

参考电容组，被配置为选择性的对参考信号进行采样，并将其提供至所述余量放大器的正相输入端和反相输入端；以及

积分电容组，被配置为选择性的连接于所述余量放大器的输入端和输出端，以及对所述采样电容组和参考电容组的采样信号进行积分，

其中，所述循环型模数转换器的转换周期包括多次循环，在转换周期的每次循环，所述余量放大器根据所述采样电容组和所述参考电容组的采样信号产生循环模拟信号，

在转换周期的第一次循环，所述积分电容组和所述参考电容组还配置为反向存储所述余量放大器的失调电压，以及在后续循环中对所述失调电压进行消除。

2.根据权利要求1所述的循环型模数转换器，还包括：

比较单元，用于将每次循环处理产生的循环模拟信号与第一阈值电压相比较，以根据比较结果产生第一比较信号，以及将每次循环处理产生的循环模拟信号与第二阈值电压相比较，以根据比较结果产生第二比较信号，

其中，在第一次循环之后的每次循环，所述参考电容组采样正参考电压、负参考电压和零电压之一作为参考信号，所述参考信号的选择与前一次循环处理产生的所述第一比较信号和所述第二比较信号相关。

3.根据权利要求1所述的循环型模数转换器，其中，所述循环处理单元在转换周期的每次循环依次经历采样阶段和放大阶段，所述反向存储失调电压通过反向存储第一次循环的采样阶段产生的循环模拟信号实现。

4.根据权利要求3所述的循环型模数转换器，其中，

在转换周期的第一次循环中，在采样阶段，所述采样电容组采样所述模拟输入信号，所述积分电容组和所述参考电容组反向存储所述失调电压，所述采样电容组和所述参考电容组将采样信号提供至所述余量放大器，所述余量放大器连接为余量增益负反馈，所述余量放大器提供循环模拟信号，

在放大阶段，所述采样电容组和参考电容组将采样阶段的采样信号提供至所述余量放大器，所述积分电容组对所述采样电容组和所述参考电容组的采样信号积分，所述余量放大器提供循环模拟信号；

在转换周期的后续循环中，在采样阶段，所述采样电容组采样前一次循环处理产生的循环模拟信号，所述参考电容组采样所述参考信号，所述余量放大器断开与所述采样电容组和参考电容组的连接，

在放大阶段，所述采样电容组和参考电容组将采样阶段的采样信号提供至所述余量放大器，所述积分电容组对所述采样电容组和所述参考电容组的采样信号积分，所述余量放大器提供循环模拟信号。

5.根据权利要求4所述的循环型模数转换器，其中，所述采样电容组包括第一采样电容和第二采样电容，

在转换周期的第一次循环中，采样阶段，所述第一采样电容的第一端连接第一模拟输入信号，所述第二采样电容的第一端连接第二模拟输入信号，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端分别连接所述余量放大器的反相输入端和正相输入端，

在放大阶段，所述第一采样电容和所述第二采样电容的第一端连接共模电压，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端分别连接所述余量放大器的反相输入端和正相输入端；

在转换周期的后续循环中，在采样阶段，所述第一采样电容的第一端连接前一次循环处理产生的第一循环模拟信号，所述第二采样电容的第一端连接前一次循环处理产生的第二循环模拟信号，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端连接共模电压，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端断开与所述余量放大器的反相输入端和正相输入端的连接，

在放大阶段，所述第一采样电容的第一端和所述第二采样电容的第一端连接所述共模电压，所述第一采样电容的第二端和所述第二采样电容的第二端分别连接所述余量放大器的反相输入端和正相输入端，

其中，所述模拟输入信号为所述第一模拟输入信号和所述第二模拟输入信号的差分信号，所述循环模拟信号为所述第一循环模拟信号和所述第二循环模拟信号的差分信号。

6.根据权利要求5所述的循环型模数转换器，其中，所述参考电容组包括第一参考电容和第二参考电容，

所述第一参考电容的第二端连接所述第一采样电容的第二端，所述第二参考电容的第二端连接所述第二采样电容的第二端，

在转换周期的第一次循环中，在采样阶段，所述第一参考电容的第一端连接第二循环模拟信号，所述第二参考电容的第一端连接第一循环模拟信号，

在放大阶段，所述第一参考电容和所述第二参考电容的第一端连接所述共模电压；

在转换周期的后续循环中，在采样阶段，所述第一参考电容的第一端和所述第二参考电容的第一端选择连接第一量化参考电压、第二量化参考电压以及共模电压之一，

在放大阶段，所述第一参考电容和所述第二参考电容的第一端连接所述共模电压。

7.根据权利要求4所述的循环型模数转换器，其中，所述积分电容组包括：

第一积分电容，第一端连接所述余量放大器的反相输入端，第二端连接所述余量放大器的正相输出端；

第二积分电容，第一端连接所述余量放大器的正相输入端，第二端连接所述余量放大器的反相输出端，

其中，在转换周期的第一次循环的采样阶段，所述第一积分电容的第二端还连接所述余量放大器的反相输出端，所述第二积分电容的第二端还连接所述余量放大器的正相输出端，所述余量放大器的反相输入端和正相输出端短接，所述余量放大器的正相输入端和反相输出端短接。

8.一种循环型模数转换方法，包括：

采样模拟输入信号以及反向存储失调电压，并根据所述模拟输入信号和所述失调电压产生循环模拟信号，以及将产生的循环模拟信号转换为相应的数字信号；

采样参考信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号，并根据所述参考信号和前一次循环处理产生的循环模拟信号产生循环模拟信号，以及将产生的循环模拟信号转换为相应的数字信号；

重复前一步骤，直至预定次数的循环结束，

其中，所述参考信号跟随前一次循环处理产生的数字信号变化。

9.根据权利要求8所述的循环型模数转换方法，其中，所述反向存储失调电压通过在采样所述模拟输入信号的同时反向采样所述循环模拟信号实现。

10.根据权利要求8所述的循环型模数转换方法，其中，所述反向存储失调电压包括：

采用参考电容组和积分电容组反向存储所述失调电压，所述失调电压为余量放大器的失调电压。