[發明專利]高精度模數轉換器轉換速度提升電路

有效

• 申請號: 202011022536.5
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112104370B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 周德金;陳珍海;徐宏;吳振華;龔樺;黃偉
• 申請（專利權）人: 無錫英諾賽思科技有限公司;清華大學無錫應用技術研究院
• 主分類號: H03M1/34
• 分類號: H03M1/34
• 代理公司: 蘇州國誠專利代理有限公司 32293
• 代理人: 韓鳳

本發明屬于集成電路技術領域，具體為一種高精度模數轉換器轉換速度提升電路，該電路包括：信號輸入電路、高精度ADC內核、高性能采樣開關、保持電路、比較器、FIFO電路、數據求和電路以及數字校準電路。本發明所述高精度模數轉換器轉換速度提升電路采用微分信號處理技術，在傳統中速高精度ADC內核基礎上增加了輸入模擬信號跟蹤量化電路，實現模擬信號的高速跟隨和量化，達到提升ADC轉換速率的目的。所述模擬信號跟蹤量化電路僅包括高性能采樣開關、保持電路、比較器、FIFO電路以及數據求和電路，在不需要成倍增加硬件和功耗開銷的條件下，快速提升ADC轉換速度，具有低成本優勢。

技術領域

本發明涉及一種高精度模數轉換器(ADC)的轉換速度提升技術，屬于模擬集成電路技術領域。

背景技術

模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)是連接數字信號和模擬信號的橋梁。ADC是將模擬信號轉換成數字信號的一個量化過程，其在各種應用中，都起到將模擬信號采樣，轉換為數字信號的工作，廣泛應用于各種電子器件中，并且往往在整個電路系統中起著決定性的作用。采樣與轉換功能是A/D轉換器的核心功能。A/D轉換器將輸入信號與基準信號進行對比，并把結果轉換為數字輸出。在輸入擺幅以內，電平被平均的分割為許多小階梯，每個階梯對應一個數字輸出，A/D轉換器依照這個階梯對照表，將輸入電壓轉換為數字輸出。由于模擬信號在時域中為連續無限可分信號，A/D轉換器必須對其進行采樣，在采樣階段，輸入的信號大小被存儲起來，A/D轉換器采樣速度被稱為采樣速率。采樣以后的信號，經過A/D轉換器的量化轉換，形成N位的數字輸出，N被稱為A/D轉換器的位數，即轉換精度。

自上世紀70年代以來，為了適用于不同的應用系統，A/D轉換器出現了許多種結構。不同的結構側重于不同的需求，有的側重于高精度，有的側重于高速度，有的側重于低功耗，有的側重于低硬件消耗。在當今各種A/D轉換器中，按基本的轉換原理劃分，可分為過采樣(Over sampling)A/D轉換器和奈奎斯特(Nyquist)A/D轉換器。過采樣A/D轉換器是一類通過提高過采樣比(采樣速率與轉換速率的比值)來達到高動態范圍的A/D轉換器。在目前所有的A/D轉換器中，過采樣型是精度最高的，但由這類轉換器從本質上是通過犧牲速度來換取高動態范圍的，所以它的轉換速率較低(一般小于10MS/s)。這種A/D轉換器主要有低通和帶通兩類，前者典型應用為音頻處理、圖像處理等低速、高動態范圍領域；奈奎斯特A/D轉換器的主要特征是：每一個被采樣的模擬信號都被轉換為唯一與之相對應的數字信號，即采樣速率和轉換速率相同。奈奎斯特A/D轉換器主要包括其中包括快閃型(Flash)、子區式(Subranging)、兩步快閃型(Two-step)、折疊插值型(Folding and interpolating)、流水線型(Pipeline)、逐次逼近(Successive approaching)等。通常用于實現精度大于16位、轉換速度大于1MSPS的中高速高精度ADC的主要ADC結構包括SAR、流水線及Pipeline-SAR混合結構等。

對ADC設計來說，采樣速率與轉換精度之間存在一個折衷，在給定的工藝條件和功耗開銷條件下，想要實現一個高采樣速率的高精度ADC是比較困難的，所能實現的高精度ADC的速度和精度存在一定的上限。例如，在常規1.8V電壓條件下，采用SAR結構實現的16-18位單通道ADC內核的轉換速度被限制在5MSPS以下；采用流水線結構實現的16位單通道ADC內核的轉換速度被限制在200MSPS以下；采用Pipeline-SAR等混合結構實現的16位單通道ADC內核的轉換速度被限制在50MSPS以下。