CN1630982A - 模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明使用基本流水线/子范围结构来提供用于模数转换的电路，该电路包括：采样保持电路(1)；粗模数转换器(2)；数模转换器(3)；组合逻辑电路；精密模数转换器(6)；以及还包括电压/电流转换器(7；R1)；用于在电流域中进行减法操作的装置，优选地包括用于在虚拟接地点(9)求和的装置；以及用于在精密模数转换器(6)的输入端将电流转换成电压的装置(10；R2)。精密模数转换器(6)优选地还包括与用于将电流转换成电压的装置(10；R2)匹配的电阻，以及与流到数模转换器(3)的电流匹配的电流源。多个电压/电流(7A；7B)和电流/电压(10A；10B)转换器对可以以级联形式连接，并且提供多个采样保持电路(1)。这具有增加电路采样率的优点。根据本发明的一个实现方案使得能够减少要匹配的元件数量以及匹配程度，并且向ADC提供高速和高分辨率而没有已知实现方案的缺点。

Description

模数转换器
本发明涉及模数转换器。
在设计模数转换器(ADC)时高速和高分辨率是非常需要的特性。最新的ADC是12位65MS/s水平的转换器，它的一个例子就是菲利普的型号TDA 8767/8。期望获得14位或是更高的精确度。
一种已知的获得高速和高分辨率的方法是使用校准，即存储非线性信息并且按数字化方式在线校正ADC。这需要大量数位和存储电路，而且当产生校准信号时ADC必须是离线的，然而，这是不希望的。
另一种方法是在二或三级14位ADC中与偏移补偿放大器相结合使用阶梯电阻。在精确地实现阶梯电阻时会产生问题，并且噪声水平有可能高于所期望的噪声水平。
还有一种方法是使用电流DAC(数模转换器)的静态线性。例如，一种已知的这种实现包括：
-采样保持电路；
-粗模数转换器(ADC)；
-数模转换器(DAC)；
-组合逻辑电路；和
-精密模数转换器(ADC)。
这被称为基本流水线/子范围结构。然而，将DAC与级间增益相匹配和与精密ADC的范围和偏移相匹配时会产生较大问题，而且已知的实现方法的速度和分辨率会受到限制。
本发明目的在于提供具有高速和高分辨率的ADC，而不具有上述已知实施方法的缺点。
根据本发明提供一种用于模数转换的电路，该电路包括：
-采样保持电路；
-粗模数转换器；
-数模转换器；
-组合逻辑电路；
-精密模数转换器；其特征在于：
-电压/电流转换器(R1)；
-用于在电流域进行减法运算的装置；
-用在虚拟接地点求和的装置；以及
-用于在精密模数转换器的输入端将电流转换成电压的装置。
根据优选的实施例，该减法装置包括电流数模转换器以及优选地包括匹配的单位电流单元(unit current cell)。
优选地，精密模数转换器另外还包括与该将电流转换成电压的装置匹配的电阻和与该数模转换器电流单元的电流匹配的电流源。
根据本发明的另一个方面，提供多个以级联形式连接的电压/电流和电流/电压转换器对。因此，第二ADC的阶梯仅仅近似地确定第二ADC的范围，并且将驱动另一系列的匹配电流源。
根据本发明另一个方面的优选实施例，提供多个采样保持电路。这具有增加电路采样率的优点。
根据本发明的一种实施，使得能够减少要匹配的元件数量，并且将匹配级别减少到子范围的精确度。
为了更好地理解本发明以及为了显示本发明是如何被实现的，现在将参考附图，其中：
图1是已知现有技术电路的电路图；
图2是本发明的一个实施例的电路图；
图3是图2和3电路的另一个实施例的电路图；即，流水线实现的电路图；
图4是一部分的电路图，即图2和3电路的V/I转换器的电路图；
图5是图2和3电路的另一部分的电路图；即图2和3电路的电流DAC的电路图。
在图1中示出了一种基本已知的流水线/子范围结构电路，如在美国专利5 283 581中所述。它实质上是模拟电压减法电路，并包括采样保持电路1，该采样保持电路的电压输出端连接到粗A/D转换器2用于提供较高阶位，其输出端还连接到一个负载电阻4(R1)。粗A/D转换器2的输出端连接到D/A转换器3。负载电阻4和D/A转换器3有效地充当减法电路，用来计算从采样保持电路1输出的模拟电压和对应于由A/D转换器2计算的较高阶位的电压值之差。在信号被传送到精密A/D转换器6以提供较低阶位之前，这些信号的差在放大器5中被放大。
图2中示出根据本发明的新电路的一个实施例。采样保持电路1将电压输入信号同时施加到电压/电流(V/I)转换器7和粗A/D转换器2。V/I转换器7包括负载电阻R1。然后结果电流信号在节点9相减。进行具有虚拟接地的输入节点的I/V转换以便减少在求和节点上的电压摆动是有好处的。使用包括负载R2的I/V转换器10将由减法操作产生的剩余电流转换回电压，并将该电压信号馈给精密A/D转换器6，如图所示。I/V转换器10包括电阻R2和运算放大器5。放大器5的增益应该足够大以使得I/V转换器10的增益误差最小。
为了得到转换器的良好性能，即良好的线性，精密A/D转换器6的范围必须与剩余信号匹配，而这是由包括D/A转换器步长和放大器增益等因素的结合所决定的。在根据本发明的电路中，在精密A/D转换器6中使用与IV转换器10的负载R2匹配的负载电阻R3以及使用与电流D/A转换器3匹配的电流源11，可以相对容易地获得精密A/D范围的匹配。电阻并不要求完全的A/D线性匹配，而且因为R2和R3的比率很小，所以可以比如图1中所示的现有技术实现方案更容易地获得匹配。此外要匹配的元件数量实际上减少了。
在另外的实施例中，如图5所示，V/I和I/V部分可以级联，其中第二个A/D转换器的阶梯仅仅近似地确定范围并驱动另一系列的匹配电流源。可以在信号链中插入更多的采样保持功能来增加采样率。采样保持电路1将输入电压Vin施加到包括两条支路的第一部分，两条支路中一条支路包括粗A/D转换器2A和电流D/A转换器3A，而另一条支路包括具有负载R1A的V/I转换器7A。来自两条支路的电流在节点9A相减，并且其结果施加到包括放大器5A和负载R2A的I/V转换器10A。I/V转换器10A的电压输出施加到第二部分B中具有负载R1B的V/I转换器7B，并且经由跨接放大器输出端和电流源11A的负载电阻R而被施加到第二级粗A/D转换器2B。第二级粗A/D转换器2B连接到第二级电流D/A转换器3B，并且电流在第二级的节点9B处相减。该结果信号被提供到包括放大器5B和负载R2B的第二级I/V转换器11B的输入端。然后将转换器11B的电压输出施加到具有负载R5B和电流源11B的精密A/D转换器6。
在这个级联形式中，电阻R2A、R3A、R2B和R3B必须形成匹配。此外，电流源11B必须与第一级的电流D/A转换器3A和第二级的电流D/A转换器3B匹配。
优选地，精密A/D阶梯不应该被基极电流加载。优选的是使用MOST型晶体管，或者可替换的是可以实施一个第二个阶梯电路。
这样的安排提供具有高速和高分辨率的紧凑型A/D转换器。在求和节点9使用虚拟接地12可以减少对于D/A转换的要求，并且为V/I转换器和D/A转换器进行操作提供增加的电压的自由空间(headroom)。
图3说明如图2中的转换器7或图5中的转换器7A和7B的电压/电流(V/I)转换器的可能实施方案。输入电压施加到两个放大器13和14，这两个放大器的另一个输入端经过负载R1而连接在一起，从而由电流源15向其提供输入。放大器13和14的输出被分别施加到场效应晶体管(FET)16和17的基极，每个场效应晶体管又提供输出电流Iout。这种实现形式是基于由反馈放大器驱动的线性电阻(例如聚乙烯)。放大器的增益是由所需要的线性确定的，而它的带宽是由稳定时间和稳定误差确定的。第一级中的放大器对噪声的作用最大。优选使用MOST以避免基极电流损耗，而FET16和17的输出电导提供给虚拟接地。
图4说明如图1和2中的3和图5中的3A和3B所说明的数模(D/A)转换器的可能实施。它包括向晶体管20和负载22供电的源极耦合FET24和25。这提供高精确度的电流源，并且基于在每一级中将晶体管20和21与电阻负载22和23相匹配，或者可替换地基于校准或动态元件的匹配。

Claims (12)

1.一种用于模数转换的电路，包括：
-采样保持电路(1)，该采样保持电路(1)连接到
-粗模数转换器(2)，该粗模数转换器(2)连接到
-数模转换器(3)，该数模转换器(3)连接到
-组合逻辑电路，和；
-精密模数转换器(6)；
-其中该电路的特征在于
-电压/电流转换器(7；R1)，该电压/电流转换器(7；R1)连接到
-该采样保持电路(1)的输出端；
-并且还连接到用于在电流域中进行减法操作的装置，所述用于进行减法操作的装置的输入端连接到
-该电流转换器和该数模转换器；
-用于在虚拟接地点(9)求和的装置；和
-用于把该减法装置的输出电流转换成
-在该精密模数转换器(6)的输入端处的电流-电压(10；R2)的装置。
2.根据权利要求1的电路，其中减法装置包括电流数模转换器(3)。
3.根据权利要求2的电路，其中电流数模转换器(3)包括匹配的单位电流单元。
4.根据权利要求1、2或3的电路，其中精密模数转换器(6)还包括与用于将电流转换成电压的装置(R2)相匹配的电阻(R3)。
5.根据权利要求4的电路，其中精密模数转换器(6)还包括与流到数模转换器(3)的电流相匹配的电流源。
6.根据前面权利要求中任何一项的电路，包括多个以级联形式连接的电压/电流(7A；7B)和电流/电压(10A；10B)转换器对，这样的安排，使得第二模数转换器的阶梯能驱动另一个系列的匹配电流源。
7.根据前面权利要求中任何一项的电路，还包括提供多个采样保持电路(1)。
8.根据前面权利要求中任何一项的电路，其中电流/电压转换器(10)包括虚拟接地输入节点(12)。
9.根据前面权利要求中任何一项的电路，其中电流/电压转换器(R2)包括电阻和运算放大器(5)。
10.根据前面权利要求中任何一项的电路，包括电压/电流和电流/电压部分的级联安排，其中具有匹配的电阻以及与第一级的电流数模转换器(3A)和第二级的电流数模转换器(3B)匹配的电流源(11A；11B)。
11.根据前面权利要求中任何一项的电路，包括MOST型晶体管。
12.根据前面权利要求中任何一项的电路，其中至少一个数模转换器(3)包括一对源极耦合FET(24，25)、一个晶体管(20)和一个负载(22)。
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Granted publication date: 20090318

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