一种二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器及模数转换方法技术

本发明专利技术提出一种带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器。该模数转换器采用高度数字化的基于压控振荡器的量化器，自身带有一阶噪声整形。同时在反馈支路插入由数字电路或者无源开关电容电路实现的一阶积分器，从而实现二阶噪声整形。该发明专利技术相比传统的和一阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，能够有效提高转换精度；同时二阶噪声整形仅仅通过数字门电路或者无源开关电容电路实现，只需增加极少的硬件成本和功耗，适用于各种速度和精度要求的逐次逼近型模数转换器。

A successive approximation analog-to-digital converter and its analog-to-digital conversion method for second-order noise shaping

The invention provides a successive approximation analog-to-digital converter with second-order noise shaping. The analog-to-digital converter uses a highly digitized quantizer based on VCO and has its own first-order noise shaping. At the same time, a first-order integrator realized by digital circuit or passive switched capacitor circuit is inserted into the feedback branch to realize second-order noise shaping. Compared with the traditional and first-order noise shaping successive approximation analog-to-digital converter, the invention can effectively improve the conversion accuracy; at the same time, the second-order noise shaping is realized only by digital gate circuit or passive switched capacitor circuit, which only needs to increase very little hardware cost and power consumption, and is suitable for successive approximation analog-to-digital converter with various speed and accuracy requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器及模数转换方法
本专利技术属于混合信号电路领域，特别涉及一种带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器及模数转换方法。
技术介绍
在电子电路中，模数转换器(ADC)是一个重要的模块，它负责把声音、图像和无线电波等模拟信号转换成数字信号传递给后面的数字单元进行各种信号处理。衡量模数转换器的指标主要有带宽(速度)、精度和功耗。逐次逼近型模数转换器是一种利用二进制寻码原理的重要模数转换器结构，其基本架构由比较器、逐次逼近数字逻辑单元和反馈数模转换器(DAC)构成。由于仅仅使用了一个模拟比较器，逐次逼近型模数转换器相比其他类型的模数转换器可以达到最低的功耗。对于传统的逐次逼近型模数转换器，其采样率和量化噪声之间存在折中，每增加采样率1倍可以把量化噪声降低3dB。噪声整形技术是模数转换器中通过反馈和滤波把带内量化噪声搬移到带外来提高转换精度的一种技术。近年来，越来越多的设计把逐次逼近型模数转换器和噪声整形技术结合起来，以提高其转换精度。对于一阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，每增加采样率1倍可以把量化噪声降低9dB；而对具有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，每增加采样率1倍则可以把量化噪声降低15dB。很明显，如何高效的实现二阶噪声整形是提高逐次逼近型模数转换器转换精度和能效的一个方向。文献[1](W.El-Halwagy,P.MousaviandM.Hossain,"A79dBSNDR,10MHzBW,675MS/sopen-looptime-basedADCemployinga1.15psSAR-TDC,"2016IEEEAsianSolid-StateCircuitsConference(A-SSCC),Toyama,2016,pp.321-324)通过用基于压控振荡器的量化器替代传统的电压域量化器，由于压控振荡器的积分作用，实现了一个一阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器。文献[2](Y.Xie,Y.Liang,M.Liu,S.LiuandZ.Zhu,"A10-Bit5MS/sVCO-SARADCin0.18-umCMOS,"inIEEETransactionsonCircuitsandSystemsII:ExpressBriefs)整体是一个两级MASH(Multi-stageShaping)结构模数转换器，其中第一级是一个传统的逐次逼近型模数转换器，第二级用基于压控振荡器的量化器处理第一级的误差信号，从而实现了整个模数转换器的一阶噪声整形。文献[3](Z.Chen,M.MiyaharaandA.Matsuzawa,"A9.35-ENOB,14.8fJ/conv.-stepfully-passivenoise-shapingSARADC,"2015SymposiumonVLSICircuits(VLSICircuits),Kyoto,2015,pp.C64-C65)通过在传统逐次逼近型模数转换器的反馈环路中插入一阶无源开关电容滤波器，实现了一阶噪声整形。文献[4](Y.Hou,Z.Chen,M.MiyaharaandA.Matsuzawa,"AnOp-ampfreeSAR-VCOhybridADCwithsecond-ordernoiseshaping,"2016IEEEInternationalConferenceonElectronDevicesandSolid-StateCircuits(EDSSC),HongKong,2016,pp.387-390)是一个两级MASH结构模数转换器，其中第一级在传统逐次逼近型模数转换器的反馈环路中插入一阶无源开关电容滤波器，实现一阶滤波；第二级用基于压控振荡器的量化器处理第一级的误差信号，两级整体实现了模数转换器的二阶噪声整形。文献[5](Z.Chen,M.MiyaharaandA.Matsuzawa,"A2nd-orderfully-passivenoise-shapingSARADCwithembeddedpassivegain,"2016IEEEAsianSolid-StateCircuitsConference(A-SSCC),Toyama,2016,pp.309-312)在传统逐次逼近型模数转换器的反馈环路中插入二阶无源开关电容滤波器，实现了模数转换器的二阶噪声整形。文献[1、2、3]只能实现一阶噪声整形，它们在同样的采样频率下对提高转换精度帮助有限。文献[2、4]采用了两级MASH结构，其转换精度依赖于数字滤波器与模拟滤波器传递函数之间的匹配，一般需要额外的数字校准以防止噪声泄露。文献[5]的二阶噪声整形均来自无源开关滤波器，这些无源开关电容滤波器需要额外的硬件开销和功耗，并且只能提供2倍的增益，抑制噪声的效果有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提出一种带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器及转换方法，在较低硬件和成本增加的基础上实现转换精度的提升。为此，本发有提出的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括采样保持电路、与采样保持电路相连的基于压控振荡器的量化器、与基于压控振荡器的量化器相连的逐次逼近逻辑单元、与逐次逼近逻辑单元相连的一阶数字调制器或无源开关电容滤波器、和一阶数字调制器或无源开关电容滤波器与数字模拟转换器，其中基于压控振荡器的量化器中、一阶数字调制器或无源开关电容滤波器中，均包含有一阶噪声整形。在本专利技术的一些实施例中还可以包括如特征：所述一阶数字调制器是一阶数字delta-sigma调制器。所述模数转换器处于过采样状态。所述模数转换器的采样时钟高于最大转换带宽的2倍。所述一阶数字delta-sigma调制器和数字模拟转换器形成一个B位一阶过采样数字模拟转换器，其中B的取值由ADC整体精度要求和过采样率决定。所述B的取值为2-5。所述基于压控振荡器的量化器包括环形压控振荡器、感知放大型触发器、真单相时钟型触发器和异或门。所述基于压控振荡器的量化器的量化位数为N，其中N<B。所述基于压控振荡器的量化器为双输入的基于压控振荡器的量化器，它包括尾电流管、共模电流抽取电路、多个首尾相连的延时单元、读出放大触发器、真单相时钟触发器和异或门。本专利技术还提出一种带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换方法，采用上述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，包括如下步骤：转换周期开始时采样保持电路在时钟信号的控制下采样模拟输入信号并且保持该信号直至转换周期结束；同时逐次逼近逻辑单元的B位输出归零，使得数字模拟转换器的模拟输出也为零；基于压控振荡器的量化器将采样保持电路的信号与数字模拟转换器的模拟输出进行比较，输出数字结果；逐次逼近逻辑单元根据基于压控振荡器的量化器的数字输出调整其输出，数字模拟转换器5也相应的更新其模拟输出；基于压控振荡器的量化器再次将采样保持电路的信号与数字模拟转换器的更新后的输出进行比较；如此循环K次之后，整个转换周期结束，逐次逼近逻辑单元的数字输出即为整个模数转换器的数字输出；其中K为大于等于B/N的最小整数。采用上述技术方案后，本专利技术具有如下优点：在所采用的基于压控振荡器的量化器自身带有一阶噪声整形的基础上，同时在反馈支路插入由数字电路或者无源开关电容电路实现的一阶积分器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括采样保持电路、与采样保持电路相连的基于压控振荡器的量化器、与基于压控振荡器的量化器相连的逐次逼近逻辑单元、与逐次逼近逻辑单元相连的一阶数字调制器或无源开关电容滤波器、和一阶数字调制器或无源开关电容滤波器与数字模拟转换器，其中基于压控振荡器的量化器中、一阶数字调制器或无源开关电容滤波器中，均包含有一阶噪声整形。

【技术特征摘要】
1.一种带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括采样保持电路、与采样保持电路相连的基于压控振荡器的量化器、与基于压控振荡器的量化器相连的逐次逼近逻辑单元、与逐次逼近逻辑单元相连的一阶数字调制器或无源开关电容滤波器、和一阶数字调制器或无源开关电容滤波器与数字模拟转换器，其中基于压控振荡器的量化器中、一阶数字调制器或无源开关电容滤波器中，均包含有一阶噪声整形。2.如权利要求1所述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述一阶数字调制器是一阶数字delta-sigma调制器。3.如权利要求1所述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述模数转换器处于过采样状态。4.如权利要求3所述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述模数转换器的采样时钟高于最大转换带宽的2倍。5.如权利要求2所述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述一阶数字delta-sigma调制器和数字模拟转换器形成一个B位一阶过采样数字模拟转换器，其中B的取值由ADC整体精度要求和过采样率决定。6.如权利要求5所述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述B的取值为2-5。7.如权利要求6所述的带有二阶噪声整形的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述基于压控振荡器的量化器包...

【专利技术属性】
技术研发人员：幸新鹏，冯海刚，李冬梅，王志华，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44