双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器及方法技术

公开了双反馈回路的噪声整形过采样逐次逼近模数转换器及控制方法，逐次逼近模数转换器中，电容型数模转换器经由切换在其上极板产生余量电压，第一余量采集电容和第二余量采集电容分别奇偶周期交替相连电容型数模转换器的上极板以存储由电容型数模转换器产生的当前本周期的余量电压，无源环路滤波器经由电压缓冲器连接电容型数模转换器的下极板，电容型数模转换器的上极板通过积分电容连接比较器形成双回路反馈结构，比较器将输入电压信号与无源环路滤波器的输出电压信号的加和信号量化成数字码，基于数字码控制电容型数模转换器切换，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近模数转换器的每一位输出，直到整个量化结束。

Double feedback loop noise shaping over sampling successive approximation ADC and its method

【技术实现步骤摘要】
双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器及方法
本专利技术涉及集成电路
，特别是一种具有双反馈回路的噪声整形过采样逐次逼近模数转换器及控制方法。
技术介绍
现实世界中绝大多数信号都是模拟信号，模数转换器(ADC)用于将自然界中的模拟信号转换为数字信号。随着集成电路工艺节点飞速进步，逐次逼近(SAR)ADC凭借着结构简单以及与工艺适配性优良等优势逐渐成为ADC研究领域近些年来的研究热点。但随着对ADC有效位数需求的日渐提高，传统SARADC由于受到比较器噪声以及内部模数转换器(DAC)噪声的限制，精度往往很难超过12位。因此，高精度、低成本的噪声整形SARADC是近年来发展出的一种新型混合ADC结构。通过将∑ΔADC中的噪声整形技术和过采样技术应用在SARADC中，从而提高SARADC的有效位数。目前的噪声整形SARADC有些使用的是基于运放的有源积分器，因此功耗较高而且运放的性能随工艺、电压和温度(PVT)变化较大。而纯无源的噪声整形结构虽然功耗大大降低，但是因为无源积分器以及多输入比较器的使用，增加了噪声源的数量并会带来额外的信号衰减，因此噪声整形效果往往有限。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器及控制方法，其通过多环路反馈，从而实现更加优化的噪声整形效果。其次，该结构避免了使用多输入比较器所带来的额外噪声，利用两个余量采集电容的乒乓切换，在实现噪声整形的同时，相较于传统SARADC不增加额外的时钟周期，从而在保证SARADC信噪比的同时，加快了ADC的工作速度。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现。一种双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器包括，电容型数模转换器，其经由切换在其上极板产生余量电压，无源环路滤波器，其配置成对所述余量电压噪声整形，其中，其包括存储余量电压的第一余量采集电容和第二余量采集电容以及用于实现无源增益的积分电容，其中，第一余量采集电容和第二余量采集电容分别奇偶周期交替相连所述电容型数模转换器的上极板以存储由电容型数模转换器产生的当前本周期的余量电压，第一余量采集电容和第二余量采集电容与积分电容相连形成无源积分器输出无源环路滤波器的输出电压，电压缓冲器，其分别连接所述无源环路滤波器和电容型数模转换器以将所述输出电压连接到电容型数模转换器的下极板，比较器，比较器的输入端经由所述积分电容与电容型数模转换器的上极板相连，其中，无源环路滤波器经由电压缓冲器连接电容型数模转换器的下极板，电容型数模转换器的上极板通过积分电容连接比较器形成双回路反馈结构，比较器将输入电压的信号与来自无源环路滤波器输出的电压信号的加和信号量化成数字码，SAR逻辑数字电路，其输入端连接所述比较器的输出端，基于所述数字码控制电容型数模转换器切换，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近模数转换器的每一位输出，直到整个量化结束。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，第一余量采集电容和第二余量采集电容进行乒乓操作，以在下一次采样周期内完成无源积分器积分。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，电压缓冲器包括全差分电压缓冲器或电压源随器。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，电压缓冲器包括由晶体管M0、M1、M2、M3构成一个二极管作负载的五管单元、M4、M5、M6、M7作为运放的第二级放大器和用于确定第二级放大器的输出共模电压的电阻R0，其中M4、M5和前级M2、M3构成比例为1：M的电流镜。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，逐次逼近模数转换器的每个周期分为采样阶段φs和转换阶段φr，第一余量采集电容和第二余量采集电容响应于φ1和φ2交替轮转，第n个转换周期，当φs、φ1为高时，开关S1导通，电容型数模转换器和第一余量采集电容作为采样电容对输入电压采样，采样时，φs1为高电平，开关S6导通，第二余量采集电容与积分电容相连构成无源积分器，对第二余量采集电容上存储的上一个周期的余量电压Vres(n-1)进行积分产生输出电压，其中，φs为高电平，开关S7导通，积分后的输出电压通过电压缓冲器与电容型数模转换器下极板相连，等到φs、φs1为低时，开关S1、S7、S6、S8断开，电容型数模转换器上存储的电压为输入电压和电压缓冲器的输出电压之和。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，φr为高，电容型数模转换器的下极板切到共模电压，开关S2导通，电容型数模转换器的上极板的电压信号通过积分电容输入比较器，比较器输入端的电压为输入电压和2倍的无源环路滤波器的输出电压之和，比较器开始比较并输出数字码，当所有数字码完成输出后，电容型数模转换器和第一余量采集电容的上极板剩余电压即为本周期的电压余量。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，进入第n+1个周期，φ2为高，第一余量采集电容和第二余量采集电容交换，再次进行上述操作。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，电容型数模转换器包括电容阵列和采样开关S1。所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器中，在逐次逼近模数转换器完成当前量化周期的最后一位量化后，产生的数字码通过SAR逻辑控制电路来控制电容型数模转换器额外进行一次开关切换，在电容型数模转换器上极板上得到本周期的余量电压，通过无源积分器对余量电压进行一阶积分且将积分后的电压分别通过电压缓冲器和比较器反馈。本专利技术另一方面，一种双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器的控制方法包括以下步骤，电容型数模转换器进行开关切换，在其上极板产生余量电压，无源环路滤波器对所述余量电压噪声整形产生输出电压，其中，第一余量采集电容和第二余量采集电容分别奇偶周期交替相连电容型数模转换器的上极板以存储由电容型数模转换器产生的当前本周期的余量电压，第一余量采集电容和第二余量采集电容与积分电容相连形成无源积分器输出无源环路滤波器的输出电压，比较器将输入电压信号与余量反馈信号的加和信号量化成数字码，SAR逻辑数字电路基于所述数字码控制电容型数模转换器的切换，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近模数转换器的每一位输出，直到整个量化结束。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术利用电容型数模转换器和第一余量采集电容和第二余量采集电容直接相连的方式获取本周期余量电压Vres，不需要额外的开关周期来采集余量电压。同时，使用两个余量采集电容进行乒乓操作，可以在下一次采样周期内完成无源积分器的积分过程，从而相较于现有的SARADC不增加噪声整形所需的额外周期。本专利技术未使用多输入端的比较器，从而减小了比较器输入管的尺寸以及多输入端额外带来的噪声，进一步优化了噪声整形效果。本专利技术利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双反馈回路的噪声整形过采样逐次逼近模数转换器，其包括，/n电容型数模转换器，其经由切换在其上极板产生余量电压，/n无源环路滤波器，其配置成对所述余量电压噪声整形，其中，其包括存储余量电压的第一余量采集电容和第二余量采集电容以及用于实现无源增益的积分电容，其中，第一余量采集电容和第二余量采集电容分别奇偶周期交替相连所述电容型数模转换器的上极板以存储由电容型数模转换器产生的当前本周期的余量电压，第一余量采集电容和第二余量采集电容与积分电容相连形成无源积分器输出无源环路滤波器的输出电压，/n电压缓冲器，其分别连接所述无源环路滤波器和电容型数模转换器以将所述输出电压连接到电容型数模转换器的下极板，/n比较器，比较器的输入端经由所述积分电容与电容型数模转换器的上极板相连，其中，无源环路滤波器经由电压缓冲器连接电容型数模转换器的下极板，电容型数模转换器的上极板通过积分电容连接比较器形成双回路反馈结构，比较器将输入电压的信号与无源环路滤波器的输出电压信号的加和信号量化成数字码，/nSAR逻辑数字电路，其输入端连接所述比较器的输出端，基于所述数字码控制电容型数模转换器切换，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近模数转换器的每一位输出，直到整个量化结束。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双反馈回路的噪声整形过采样逐次逼近模数转换器，其包括，
电容型数模转换器，其经由切换在其上极板产生余量电压，
无源环路滤波器，其配置成对所述余量电压噪声整形，其中，其包括存储余量电压的第一余量采集电容和第二余量采集电容以及用于实现无源增益的积分电容，其中，第一余量采集电容和第二余量采集电容分别奇偶周期交替相连所述电容型数模转换器的上极板以存储由电容型数模转换器产生的当前本周期的余量电压，第一余量采集电容和第二余量采集电容与积分电容相连形成无源积分器输出无源环路滤波器的输出电压，
电压缓冲器，其分别连接所述无源环路滤波器和电容型数模转换器以将所述输出电压连接到电容型数模转换器的下极板，
比较器，比较器的输入端经由所述积分电容与电容型数模转换器的上极板相连，其中，无源环路滤波器经由电压缓冲器连接电容型数模转换器的下极板，电容型数模转换器的上极板通过积分电容连接比较器形成双回路反馈结构，比较器将输入电压的信号与无源环路滤波器的输出电压信号的加和信号量化成数字码，
SAR逻辑数字电路，其输入端连接所述比较器的输出端，基于所述数字码控制电容型数模转换器切换，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近模数转换器的每一位输出，直到整个量化结束。


2.如权利要求1所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器，其中，优选的，第一余量采集电容和第二余量采集电容进行乒乓操作，以在下一次采样周期内完成无源积分器积分。


3.如权利要求1所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器，其中，电压缓冲器包括全差分电压缓冲器或电压源随器。


4.如权利要求1所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器，其中，电压缓冲器包括由晶体管M0、M1、M2、M3构成一个二极管作负载的五管单元、M4、M5、M6、M7作为运放的第二级放大器和用于确定第二级放大器的输出共模电压的电阻R0，其中M4、M5和前级M2、M3构成比例为1：M的电流镜。


5.如权利要求1所述的双反馈回路噪声整形过采样逐次逼近模数转换器，其中，逐次逼近模数转换器的每个周期分为采样阶段φs和转换阶段φr，第一余量采集电容和第二余量采集电容响应于φ1和φ2交替轮转，第n个转换周期，当φs、φ1为高时，开关S1导通，电容型数模转换器和第一余量采集电容作为采样电容对输入电压采样，采样时，φs1为高电平，开关S6导通，第二余量采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：张韩瑞，张鸿，焦子豪，金锴，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61