防混叠采样电路及模数转换器制造技术

本发明专利技术提供了防混叠采样电路及模数转换器。诸如逐次逼近模数转换器（ADC）的采样电路的采样电路提供对采样的输入信号的防混叠滤波。该电路利用多个电容器采样输入信号，其中每个电容器在采样时间间隔期间的不同时间对输入信号进行采样。该电路在转换时间间隔期间将存储在不同电容器上的样本组合起来，并使用组合的样本生成数字输出信号。在一个示例中，使用存储在第一电容器上的样本生成输出信号的第一位，并使用存储在第二电容器上的样本生成输出信号的第二位。在另一示例中，电路模块对输入信号执行有限或无限脉冲响应（FIR或IIR）滤波，其中通过用于采样的电容器的相对大小来确定滤波器特性。

Anti aliasing sampling circuit and analog to digital converter

The invention provides an anti aliasing sampling circuit and an analog-to-digital converter. A sampling circuit of a sampling circuit such as a successive approximation analog-to-digital converter (ADC) provides anti aliasing filtering of an input signal sampled. The circuit uses a plurality of capacitors to sample input signals, wherein each capacitor samples the input signal at different times during the sampling interval. The circuit combines samples stored on different capacitors during the conversion time interval and generates a digital output signal using a combined sample. In one example, a first bit of an output signal is generated using a sample stored on the first capacitor, and a second bit of an output signal is generated using a sample stored on the second capacitor. In another example, the circuit module performs a limited or infinite impulse response (FIR or IIR) filtering to the input signal, wherein the filter characteristics are determined by the relative size of the capacitor used for sampling.

【技术实现步骤摘要】
防混叠采样电路及模数转换器
本专利技术的主题涉及用于提高采样电路（诸如形成模数转换器的一部分的采样电路）的精度和降低采样电路的噪声敏感度的技术及设备。
技术介绍
诸如模数转换器（ADC）的采样电路将连续时间信号转换成由离散信号样本的序列形成的离散时间信号。在ADC的情况下，每个离散信号样本均被进一步数字化为代表离散信号样本值的二进制串以形成数字输出信号。采样电路通常使用电容器（或其他电荷存储器件）在给定的瞬间时刻对连续时间输入信号值进行采样。采样电路将采样的信号值传送至转换电路，或者使用存储在电容器上的采样信号值。采样电路以确定的采样率fs工作，每1/fs秒对连续时间输入信号采一个样本。采样率依赖于具体应用，其指定了对输入信号进行采样以转换为数字字的频率。为了对连续时间信号进行采样和避免混叠，采样频率fs必须至少是连续时间信号的最高频率的两倍。如果采样频率fs不是连续时间信号的最高频率的两倍，则根据奈奎斯特采样定理，进入后采样带宽的输入信号的高频分量会出现混叠或折叠。这些折叠效应将噪声和错误引入采样信号，因此必须解决以避免带内出现不期望的信号和噪声。图1示出正在对输入信号Vin进行采样的ADC103。期望将Vin转换为0和fs/2之间的频率。不过在fs/2以上的区域A，可以是随机（噪声）或确定性信号的输入信号在0和fs/2之间折叠。于是，频率为fs的输入信号分量将折叠回来并呈现为DC信号。随着频率增加至区域B（超出区域A），输入信号的能量折叠回来并向前跨越0至fs/2的输出带宽。图2示出了一种减小混叠效应的方法。低通滤波器201接收输入信号200，并根据过渡（transition）和阻带衰减206将要被混叠的频率分量过滤或衰减掉，然后将此频带限制信号给至ADC203的输入端202。因为输入信号在区域210的能量减少，于是将被折叠成数字输出的能量得以降低，从而提供了较低的混叠噪声和改进的性能。然而，难以在ADC203之前对过滤器提供陡峭截止。如果使用有源滤波器在通带和阻带之间进行快速过渡，则有源滤波器会引入额外噪声并且有源滤波器需要额外的电流，从而有源滤波器的输出必须能够驱动ADC203的输入。图3示出另一种用于解决输入信号的混叠效应的方法。在图3中，ADC301以采样率fshf对输入信号300进行采样，采样率fshf基本上高于目标带宽309（fshf>>fs)。高于目标带宽但处在带宽308以内的信号都被ADC精确采样，并作为数字信号给至输出端302。数字输出302被数字滤波器303（具有滤波器特性310）滤波，并给至输出端304。在一个示例中，滤波器303是下采样的抽取滤波器。根据该方法，通过将ADC采样率增加至超过将转换成目标带宽中的信号所需的采样率来避免混叠。随后使用数字滤波器303去除带外信号。可以在ADC301的前端使用具有低通特性306的模拟防混叠滤波器，以进一步防止混叠。通过使目标带宽远离混叠开始出现的点，能够极大地简化模拟防混叠滤波器的设计，并且能够在数字域中执行滤除频带信号的信号处理，从而实现更加陡峭、稳定的滤波器特性。不过，考虑到增加的计算功率，对针对输入信号进行过采样的更快的ADC的需求会浪费较多的功率。由此存在着对于采样连续时间信号的具能量效率的电路和方法的需求，这些电路和方法具有低噪声敏感度、低混叠敏感度、以较低的功耗以及能够以高采样率工作。
技术实现思路
本专利技术能够减轻上述包括在形成模数转换器的一部分的采样电路中的由噪声敏感度导致的采样电路中的上述问题以及由高频信号导致的混叠中的一个或多个。在第一示例中，第一电容器用于在采样时间间隔期间的第一时间对模拟输入信号进行采样。第二电容器用于在采样时间间隔期间的第二时间对模拟输入信号进行采样，其中第二时间不同于第一时间。电路将存储在所述第一电容器和第二电容器中的样本组合起来，并在不同于采样时间间隔的转换时间间隔期间使用该组合的样本生成数字输出信号。第一电容器可以由两个以上的子电容器形成，所述电路可操作来将所述电容器和/或子电容器的连接方式从采样时间间隔期间的第一构造调节为转换时间间隔期间的第二构造，以使用存储在第一电容器的第一和第二子电容器中的样本分别生成数字输出信号的第一位和第二位。转换时间间隔的第二构造可以将电容器连接成第一和第二组电容器，其中所述第一组电容器的电容值是所述第二组电容器的二倍。可操作来生成数字输出信号的所述电路可以形成逐次逼近模数转换器、采样保持电路或流水线模数转换器的一部分。一种方法可以包括：通过第一电容器在采样时间间隔期间的第一时间对模拟输入信号进行采样；通过第二电容器在采样时间间隔期间的第二时间对模拟输入信号进行采样，其中所述第二时间不同于第一时间；将第一时间和第二时间得到的样本组合起来；在不同于采样时间间隔的转换时间间隔使用该组合的样本生成数字输出信号。在第二示例中，一种方法包括选择电容器阵列中的第一组电容器和第二组电容器，其中所述第一组电容器与第二组电容器的电容值之比对应于期望的防混叠滤波器响应的抽头系数之间的比值。在采样时间间隔期间的不同的第一和第二时间分别使用第一组电容器和第二组电容器对模拟输入信号进行采样，以获得模拟输入信号的第一样本和第二样本。对第一组电容器与第二组电容器进行重新构造以形成与所述第一组电容器与第二组电容器不同的第三组电容器与第四组电容器。基于存储在所述第三组电容器和第四组电容器中的电荷来输出数字输出信号，其中数字输出信号包括基于存储在所述第三组电容器中的电容器上的电荷转换的第一位以及基于存储在所述第四组电容器中的电容器上的电荷转换的第二位。该方法可以使用包括多个电容器的电容器阵列以及用于选择性地将阵列电容器耦接在一起以形成各组电容器的选择电路；用于将存储在一组电容器上的平均电荷值转换成数字输出信号的一位值的转换器；以及用于控制所述电容器阵列与所述转换器的操作的控制器。选择第一和第二组电容器以及对模拟输入信号进行采样的步骤可以包括：针对所选择的第一组电容器与第二组电容器中的每一组，顺次执行如下步骤；(i)针对所选择的电容器组中的每个电容器，顺次执行在保持数据线未激活的同时，激活与阵列中的电容器的行和列相对应的行选择线与列选择线的步骤；以及(ii)在激活所选择的组中的每个电容器的行选择线与列选择线之后，将模拟输入信号施加至信号线以对所选择的组的电容器上的模拟输入信号进行采样。其他的优点和新颖特征将部分地在下面的说明中阐述，并且部分在查看附图后对本领域技术人员变得显而易见，或者可以通过实例的生产或操作来了解。本专利技术的优点可以通过实施或使用下面详细实例中给出的方法、设备或其组合的各个方面来实现和获得。附图说明附图示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式，仅为示例而非限制。附图中相同的参考标号表示相同或相似的元件。图1示出了经受高频混叠的示例性模数转换器（ADC）电路以及ADC电路的频率响应。图2示出了包括模数转换器（ADC）以及预转换低通滤波器的示例电路，以及具有降低了高频混叠的电路的频率响应。图3示出了包括高频模数转换器（ADC）和后转换低通滤波器的示例电路，以及具有降低了高频混叠的电路的频率响应。图4A-图4C示出了示例性的具有用于对输入信号进行同时采样的一组电容器的逐次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种防混叠采样及模数转换电路，包括：第一电容器，用于在采样时间间隔期间的第一时间对模拟输入信号进行采样；第二电容器，用于在采样时间间隔期间的第二时间对模拟输入信号进行采样，其中第二时间不同于第一时间；电路模块，其将存储在所述第一电容器和所述第二电容器中的样本组合起来产生组合样本，并在不同于采样时间间隔的转换时间间隔期间使用该组合样本生成数字输出信号。

【技术特征摘要】
2012.12.17 US 13/717,3771.一种防混叠采样及模数转换电路，包括：第一电容器，用于在采样时间间隔期间的第一时间对模拟输入信号进行采样；第二电容器，用于在采样时间间隔期间的第二时间对模拟输入信号进行采样，其中第二时间不同于第一时间；电路模块，其将存储在所述第一电容器和所述第二电容器中的样本组合起来产生组合样本，并在不同于采样时间间隔的转换时间间隔期间使用该组合样本生成数字输出信号。2.如权利要求1所述的电路，其中所述电路模块用于通过以使得所述第一电容器和第二电容器共享电荷的方式连接所述第一电容器和第二电容器来组合样本。3.如权利要求1所述的电路，其中：所述第一电容器由两个或更多的子电容器形成；其中所述电路模块用于将所述两个或更多的子电容器的连接方式从采样时间间隔期间的第一构造调节为转换时间间隔期间的第二构造，以使用存储在所述第一电容器的第一子电容器中的组合样本生成所述数字输出信号的第一位，并使用存储在所述第一电容器的第二子电容器中的组合样本生成所述数字输出信号的第二位。4.如权利要求3所述的电路，其中在转换时间间隔期间的第二构造将所述第一电容器和所述第二电容器和/或所述第一子电容器和所述第二子电容器连接成第一组电容器和第二组电容器及第一组子电容器和第二组子电容器，其中所述第一组电容器的电容值是所述第二组电容器的电容值的二倍。5.如权利要求1所述的电路，其中所述第一电容器和所述第二电容器以及用于生成数字输出信号的电路模块构成逐次逼近模数转换器的一部分，所述逐次逼近模数转换器构造为至少部分地基于存储在所述第一电容器和所述第二电容器上的电荷组合来生成所述数字输出信号的第一位。6.如权利要求1所述的电路，其中所述第一电容器和所述第二电容器以及用于生成数字输出信号的电路模块构成流水线模数转换器的一部分，所述流水线模数转换器构造为至少部分地基于存储在所述第一电容器和所述第二电容器上的电荷组合来生成所述数字输出信号的第一位。7.如权利要求1所述的电路，其中所述电路模块用于执行模数转换操作，以通过对所述第一电容器和所述第二电容器在采样时间间隔期间采样和存储的电荷进行操作来生成所述数字输出信号。8.如权利要求7所述的电路，其中所述电路模块用于至少部分地基于所述第一电容器上的样本来执行第一模数转换操作以生成所述数字输出信号的第一位，并且至少部分地基于所述第二电容器上的样本执行第二模数转换操作以生成所述数字输出信号的第二位。9.如权利要求1所述的电路，还包括：第三电容器，用于在采样时间间隔期间的第三时间对模拟输入信号进行采样，其中所述第三时间不同于所述第一时间和所述第二时间；其中所述电路模块用于组合所述第一电容器、所述第二电容器和所述第三电容器上的样本，并使用组合的样本在转换时间间隔期间生成所述数字输出信号，并且其中所述第一时间、所述第二时间和所述第三时间在所述采样时间间隔期间在时间上均匀间隔开。10.如权利要求1所述的电路，其中所述电路模块用于对模拟输入信号执行有限脉冲响应滤波操作来作为生成所述数字输出信号的一部分，并且其中所述有限脉冲响应滤波操作的滤波器特性至少部分通过所述第一电容器和所述第二电容器的相对大小来确定。11.一种防混叠采样及模数转换方法，包括：通过第一电容器在采样时间间隔期间的第一时间对模拟输入信号进行采样；通过第二电容器在采样时间间隔期间的第二时间对模拟输入信号进行采样，其中所述第二时间不同于所述第一时间；将在所述第一时间和所述第二时间得到的样本组合起来产生组合样本；和在不同于所述采样时间间隔的转换时间间隔期间使用该组合样本生成数字输出信号。12.如权利要求11所述的方法，其中：所述第一电容器由两个或更多的子电容器形成；所述组合包括将所述两个或更多的子电容器的连接方式从采样时间间隔期间的第一构造调节为转换时间间隔期间的第二构造，以对样本进行组合；并且所述生成包括使用存储在所述第一电容器的第一子电容器中的组合样本生成所述数字输出信号的第一位，并使用存储在所述第一电容器的第二子电容器中的组合样本生成所述数字输出信号的第二位。13.如权利要求12所述的方法，其中在转换时间间隔期间的第二构造将所述第一电容器和所述第二电容器和/或所述第一子电容器和所述第二子电容器连接成第一组电容器和第二组电容器及第一组子电容器和第二组子电容器，其中所述第一组电容器的电容值是所述第二组电容器的电容值的二倍。14.如权利要求11所述的方法，其中所述采样、所述组合和所述生成的步骤是在逐次逼近模数转换器中执行的，所述逐次逼近模数转换器构造为至少部分地基于存储在所述第一电容器和所述第二电容器上的电荷组合来生成所述数字输出信号的第一位。15.如权利要求11所述的方法，其中所述采样、所述组合和所述生成的步骤是在流水线模数转换器中执行的，所述流水线模数转换器构造为至少部分地基于存储在所述第一电容器和所述第二电容器上的电荷组合来生成数字输出信号的第一位。16.如权利要求11所述的方法，其中所述生成数字输出信号的步骤包括对所述第一电容器和所述第二电容器在所述采样时间间隔期间采样和存储的电荷执行模数转换操作。17.如权利要求16所述的方法，其中所述生成数字输出信号的步骤包括：至少部分地基于所述第一电容器上的组合样本来执行第一模数转换操作以生成所述数字输出信号的第一位，以及至少部分地基于所述第二电容器上的组合样本来执行第二模数转换操作以生成所述数字输出信号的第二位...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·艾兰·莱姆金，
申请(专利权)人：凌力尔特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US