[發(fā)明專利]一種二階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811266936.3
• 申請(qǐng)日: 2018-10-29
• 公開（公告）號(hào): CN109412597B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 幸新鵬;馮海剛;李冬梅;王志華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號(hào): H03M1/12
• 分類號(hào): H03M1/12;H03M1/08
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發(fā)明提出一種帶有二階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用高度數(shù)字化的基于壓控振蕩器的量化器，自身帶有一階噪聲整形。同時(shí)在反饋支路插入由數(shù)字電路或者無源開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)的一階積分器，從而實(shí)現(xiàn)二階噪聲整形。該發(fā)明相比傳統(tǒng)的和一階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠有效提高轉(zhuǎn)換精度；同時(shí)二階噪聲整形僅僅通過數(shù)字門電路或者無源開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)，只需增加極少的硬件成本和功耗，適用于各種速度和精度要求的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于混合信號(hào)電路領(lǐng)域，特別涉及一種帶有二階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。

背景技術(shù)

在電子電路中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一個(gè)重要的模塊，它負(fù)責(zé)把聲音、圖像和無線電波等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給后面的數(shù)字單元進(jìn)行各種信號(hào)處理。衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)主要有帶寬(速度)、精度和功耗。

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種利用二進(jìn)制尋碼原理的重要模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其基本架構(gòu)由比較器、逐次逼近數(shù)字邏輯單元和反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)成。由于僅僅使用了一個(gè)模擬比較器，逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比其他類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到最低的功耗。對(duì)于傳統(tǒng)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率和量化噪聲之間存在折中，每增加采樣率1倍可以把量化噪聲降低3dB。噪聲整形技術(shù)是模數(shù)轉(zhuǎn)換器中通過反饋和濾波把帶內(nèi)量化噪聲搬移到帶外來提高轉(zhuǎn)換精度的一種技術(shù)。近年來，越來越多的設(shè)計(jì)把逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和噪聲整形技術(shù)結(jié)合起來，以提高其轉(zhuǎn)換精度。對(duì)于一階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每增加采樣率1倍可以把量化噪聲降低9dB；而對(duì)具有二階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每增加采樣率1倍則可以把量化噪聲降低15dB。很明顯，如何高效的實(shí)現(xiàn)二階噪聲整形是提高逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度和能效的一個(gè)方向。

文獻(xiàn)[1](W.El-Halwagy,P.Mousavi and M.Hossain,A 79dB SNDR,10MHz BW,675MS/sopen-loop time-based ADC employing a 1.15ps SAR-TDC,2016 IEEE AsianSolid-State Circuits Conference(A-SSCC),Toyama,2016,pp.321-324)通過用基于壓控振蕩器的量化器替代傳統(tǒng)的電壓域量化器，由于壓控振蕩器的積分作用，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)一階噪聲整形的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。文獻(xiàn)[2](Y.Xie,Y.Liang,M.Liu,S.Liu and Z.Zhu,A10-Bit 5MS/s VCO-SAR ADC in 0.18-um CMOS,in IEEE Transactions on Circuitsand Systems II:Express Briefs)整體是一個(gè)兩級(jí)MASH(Multi-stage Shaping)結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第一級(jí)是一個(gè)傳統(tǒng)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第二級(jí)用基于壓控振蕩器的量化器處理第一級(jí)的誤差信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一階噪聲整形。文獻(xiàn)[3](Z.Chen,M.Miyahara and A.Matsuzawa,A 9.35-ENOB,14.8fJ/conv.-step fully-passive noise-shaping SAR ADC,2015 Symposium on VLSI Circuits(VLSICircuits),Kyoto,2015,pp.C64-C65)通過在傳統(tǒng)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路中插入一階無源開關(guān)電容濾波器，實(shí)現(xiàn)了一階噪聲整形。文獻(xiàn)[4](Y.Hou,Z.Chen,M.Miyaharaand A.Matsuzawa,An Op-amp free SAR-VCO hybrid ADC with second-order noiseshaping,2016 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits(EDSSC),Hong Kong,2016,pp.387-390)是一個(gè)兩級(jí)MASH結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中第一級(jí)在傳統(tǒng)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路中插入一階無源開關(guān)電容濾波器，實(shí)現(xiàn)一階濾波；第二級(jí)用基于壓控振蕩器的量化器處理第一級(jí)的誤差信號(hào)，兩級(jí)整體實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的二階噪聲整形。文獻(xiàn)[5](Z.Chen,M.Miyahara and A.Matsuzawa,A 2nd-order fully-passive noise-shaping SAR ADC with embedded passive gain,2016IEEE Asian Solid-State Circuits Conference(A-SSCC),Toyama,2016,pp.309-312)在傳統(tǒng)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路中插入二階無源開關(guān)電容濾波器，實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的二階噪聲整形。文獻(xiàn)[1、2、3]只能實(shí)現(xiàn)一階噪聲整形，它們?cè)谕瑯拥牟蓸宇l率下對(duì)提高轉(zhuǎn)換精度幫助有限。文獻(xiàn)[2、4]采用了兩級(jí)MASH結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換精度依賴于數(shù)字濾波器與模擬濾波器傳遞函數(shù)之間的匹配，一般需要額外的數(shù)字校準(zhǔn)以防止噪聲泄露。文獻(xiàn)[5]的二階噪聲整形均來自無源開關(guān)濾波器，這些無源開關(guān)電容濾波器需要額外的硬件開銷和功耗，并且只能提供2倍的增益，抑制噪聲的效果有限。