一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，属于集成电路技术领域，包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器；采样保持电路的输入端连接模拟输入V

【技术实现步骤摘要】
一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法


[0001]本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法。

技术介绍

[0002]模数转换器作为模拟域与数字域的通道，其性能要求越来越高，特别是在高精度传感器、音频解码器与可穿戴式医疗应用程序中，对高精度模数转换器的需求更大。
[0003]传统架构中，逐次逼近型架构的模数转换器能效高，功耗小，工艺兼容性好，但其具有串行转换，采样速率小的缺点，由于它对比较器噪声的要求随着位数的增加呈指数增长，限制了其高精度方面的发展；∑
‑△
架构的模数转换器精度很高，但采样速率和能效低，功耗大，并且与先进工艺的兼容性很差，限制了其在低功耗方面的发展。
[0004]噪声整形逐次逼近型模数转换器结合了逐次逼近型模数转换器与∑
‑△
模数转换器的优点，同时具有低功耗与高精度的性能，表现出良好的高效率与低成本的潜力。对于采用级联积分反馈架构的噪声整形逐次逼近型模数转换器，要想实现良好的噪声整形效果，最重要的是环路滤波阶段中环路滤波器的设计，在选用积分器作环路滤波器时，可分为有源积分与无源积分两种，其中，无源积分环路滤波器简单，功耗低，鲁棒性强，但噪声传输函数平滑，噪声整形效果较弱；有源积分环路滤波器可以实现清晰的噪声传输函数，具有良好的噪声整形效果，但其功耗高，对工艺变化较为敏感，电路复杂。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的无源积分环路滤波器简单，功耗低，鲁棒性强，但噪声传输函数平滑，噪声整形效果较弱；有源积分环路滤波器可以实现清晰的噪声传输函数，具有良好的噪声整形效果，但其功耗高，对工艺变化较为敏感，电路复杂等一系列的问题，本专利技术提供了一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法，本专利技术将电容型电荷泵与无源积分相结合，实现无源无损积分的环路滤波器，使其具有无源积分优点的同时(功耗低、鲁棒性强)，具有较强的噪声整形效果(实现清晰的噪声传输函数)。同时电容型电荷泵具有一定的增益，可以补偿余量电压的部分信号损失，为后续电路的设计减小难度。
[0006]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0007]一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器；采样保持电路的输入端连接模拟输入V
in
，用于对模拟输入V
in
进行采样保持操作；采样保持电路的输出端与数模转换器的输出端均与环路滤波器的输入端相连；环路滤波器的输出端与比较器的输入端相连，比较器有M个输入端，用于比较积分余量电压与余量电压；比较器的输出端与逻辑控制电路的输入端相连，用于将比较器结果送入逻辑控制电路进行逻辑运算；逻辑控制电路的输出端与数模转换器的输入端相连，用于输出N位数字码并将输出的N位数字码通过数模转换器转换成模拟电压反馈至环路滤波器进行下一步骤的操作。
[0008]进一步地，所述噪声整形逐次逼近型模数转换器的每一周期依次包括采样保持阶段、逐次逼近转换阶段及环路滤波阶段；所述采样保持阶段用于对模拟输入电压V
in
进行采样保持，所述逐次逼近转换阶段用于对数模转换器进行开关切换，产生逐次逼近阶段所需的电压，送入比较器中，利用比较器的比较结果完成逐次逼近操作，所述环路滤波阶段用于实现噪声整形，对余量电压利用环路滤波器进行噪声整形操作，将积分后的余量电压送入到比较器中。
[0009]进一步地，所述环路滤波器包括开关φ
OUT
、φ
RS
、采样余量电压电容C
RES
及电容型电荷泵；开关φ
OUT
连接在数模转换器阵列电容C
DAC
上极板和采样余量电压电容C
RES
的上极板之间，开关φ
RS
连接在采样余量电压电容C
RES
的上极板与下极板之间(下极板接地)，采样余量电压电容C
RES
的上极板与电容型电荷泵的输入端相连；所述电容型电荷泵包括多个积分电容C
INT1
与多个开关；所述多个开关用于调控多个积分电容C
INT1
的并联与串联；环路滤波器的工作过程包括复位阶段、余量电压采样阶段及积分阶段；其中，开关φ
OUT
的导通期间用于余量电压采样阶段，开关φ
RS
的导通期间用于复位阶段，电容型电荷泵的开关的导通期间用于积分阶段；采样余量电压电容C
RES
用于与数模转换器阵列电容C
DAC
在余量电压采样阶段进行电荷共享。
[0010]进一步地，所述积分电容包括第一积分电容与第二积分电容；所述开关包括电容型电荷泵输入端与第一积分电容上极板之间相连的开关、第一积分电容与地之间并联的两个开关、第一积分电容上极板与第二积分电容上极板之间相连的开关、第一积分电容上极板与第二积分电容下极板之间相连的开关、第二积分电容与地之间相连的开关；两个积分电容C
INT1
在φ
NS1
导通期间采用并联方式，在φ
NS1_1
导通期间采用串联方式，用于一次积分阶段。
[0011]另一方面，本专利技术还提供了一种噪声整形逐次逼近型模数转换器的控制方法，具体包括如下步骤：
[0012]首先，在复位阶段控制采样余量电压电容C
RES
的开关，对上一周期存留的电荷进行清零操作，积分电容C
INT1
上的存留电荷不作清零操作；然后，通过控制采样余量电压电容C
RES
的开关进行数模转换器阵列电容C
DAC
与采样余量电压电容C
RES
的电荷共享，进行无源采样，进入余量电压采样阶段，所述余量电压采样阶段完成在噪声整形逐次逼近型模数转换器周期中的逐次逼近转换阶段操作与环路滤波器的复位阶段操作结束后，在数模转换器上获得余量电压，所述余量电压为采样保持电路所得模拟输入电压与输出数字码对应模拟电压之间的差值，对其进行采样；然后通过控制积分电容开关，通过改变电容型电荷泵中电容的串联与并联方式，补偿传统无源积分中存在的积分损失与信号损失，实现无源无损积分。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
[0014]本专利技术的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器及控制方法，通过将电容型电荷泵与无源积分相结合，实现无源无损积分，使其具有无源积分优点的同时，具有较强的噪声整形效果；同时电容型电荷泵具有一定的增益，可以补偿余量电压的部分信号损失，减小后续电路的设计难度。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0016]图1为本专利技术的一种噪声整形逐次逼本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括采样保持电路、比较器、逻辑控制电路、数模转换器、环路滤波器；采样保持电路的输入端连接模拟输入V
in
，用于对模拟输入V
in
进行采样保持操作；采样保持电路的输出端与数模转换器的输出端均与环路滤波器的输入端相连；环路滤波器的输出端与比较器的输入端相连，比较器有M个输入端，用于比较积分余量电压与余量电压；比较器的输出端与逻辑控制电路的输入端相连，用于将比较器结果送入逻辑控制电路进行逻辑运算；逻辑控制电路的输出端与数模转换器的输入端相连，用于输出N位数字码并将输出的N位数字码通过数模转换器转换成模拟电压反馈至环路滤波器进行下一步骤的操作。2.如权利要求1所述的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述噪声整形逐次逼近型模数转换器的每一周期依次包括采样保持阶段、逐次逼近转换阶段及环路滤波阶段；所述采样保持阶段用于对模拟输入电压V
in
进行采样保持，所述逐次逼近转换阶段用于对数模转换器进行开关切换，产生逐次逼近阶段所需的电压，送入比较器中，利用比较器的比较结果完成逐次逼近操作，所述环路滤波阶段用于实现噪声整形，对余量电压利用环路滤波器进行噪声整形操作，将积分后的余量电压送入到比较器中。3.如权利要求1所述的一种噪声整形逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述环路滤波器包括开关φ
OUT
、φ
RS
、采样余量电压电容C
RES
及电容型电荷泵；开关φ
OUT
连接在数模转换器阵列电容C
DAC
上极板和采样余量电压电容C
RES
的上极板之间，开关φ
RS
连接在采样余量电压电容C
RES
的上极板与下极板之间，采样余量电压电容C
RES
的上极板与电容型电荷泵的输入端相连；所述电容型电荷泵包括多个积分电容C
INT1
与多个开关；所述多个开关用于调控多个积分电容C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：常玉春，赵壮，付云浩，李杰琛，高凯迪，谷艳雪，赵中源，戴加海，姜澳，叶锦文，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：