[發明專利]噪聲整形逐次逼近模數轉換器及噪聲整形方法

在審

• 申請號: 202110059238.1
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112865798A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 王也;劉力源;劉劍;吳南健
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H03M1/46
• 分類號: H03M1/46
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王文思

本公開提出了一種噪聲整形逐次逼近模數轉換器及噪聲整形方法，該噪聲整形逐次逼近模數轉換器包括第一柵壓自舉采樣開關、第二柵壓自舉采樣開關、VCO比較器、SAR數字邏輯電、第一電荷重分配型電容陣列、第二電荷重分配型電容陣列、無源環路濾波器及全差分動態放大器。本公開提出的噪聲整形逐次逼近模數轉換器能夠實現二階噪聲整形效果，能夠有效得抑制信號帶內噪聲，進而顯著提高模數轉換器的信噪失真比和無雜散動態范圍。

技術領域

本公開涉及逐次逼近模數轉換器領域，具體為一種噪聲整形逐次逼近模數轉換器及噪聲整形方法。

背景技術

噪聲整形逐次逼近模數轉換器(Noise-Shaping Successive ApproximationRegister Analogue-to-Digital Conversion，縮寫為NS-SAR ADC)是將過采樣技術和噪聲整形技術引入到為SAR ADC中，是近年來國內外研究的熱點。這種混合架構的ADC只需在傳統SAR ADC的結構上稍加改動，就能對帶內噪聲實現整形，進而在SAR結構低功耗的基礎上大大提高模數轉換器的精度。NS-SAR主要為兩種結構：級聯積分器前饋結構(CascadedIntegrator Feed-forward，CIFF)和誤差反饋結構(Error Feedback，EF)。前者的電路結構中通常采用FIR和IIR濾波器級聯，其電路較為復雜，也難以實現低功耗；后者的結構相對簡單，但是為了穩定噪聲整形效果，通常需要由多輸入比較器的輸入管所建立的比例關系來提供增益，因此會引入額外的失調和回踢噪聲。

此外，隨著便攜式電子設備的快速發展，電子系統的最大供電電壓逐漸降低以實現低功耗。供電電壓的不斷下降為傳統結構模擬電路設計帶來很多問題，例如輸入與輸出電壓擺幅減小、線性度變差、位數相同時最低有效位(Least Significant Bit，LSB)對應的電壓減小等問題；同時為了使比較器能夠工作在低壓下，通常會采用簡單的電路結構，這會限制比較器的比較精度和速度，使得直接完成模擬輸入電壓的量化變得十分困難，這無疑增加了ADC設計的難度。

發明內容

(一)要解決的技術問題

針對以上技術問題，本公開的主要目的在于提供一種噪聲整形逐次逼近模數轉換器以及一種噪聲整形方法，用于解決上述技術問題的至少之一。

(二)技術方案

本公開一方面提供一種噪聲整形逐次逼近模數轉換器，其包括：第一柵壓自舉采樣開關、第二柵壓自舉采樣開關、VCO比較器、SAR數字邏輯電路、第一電荷重分配型電容陣列、第二電荷重分配型電容陣列、無源環路濾波器及全差分動態放大器；第一柵壓自舉采樣開關和第二柵壓自舉采樣開關用于將輸入電壓信號采樣至第一電荷重分配型電容陣列和第二電荷重分配型電容陣列的上極板；VCO比較器用于將本次轉換周期的輸入電壓信號和全差分動態放大器輸出的上一轉換周期經過補償的差分電壓量化成數字碼；SAR數字邏輯電路用于將VCO比較器輸出的數字碼反饋至第一電荷重分配型電容陣列和第二電荷重分配型電容陣列，并控制第一電荷重分配型電容陣列和第二電荷重分配型電容陣列的下極板的電壓切換，直至本次轉換周期結束，以及將本次轉換周期的所有數字碼依次輸出，作為噪聲整形逐次逼近模數轉換器的輸出碼；第一電荷重分配型電容陣列和第二電荷重分配型電容陣列的上極板連接到無源環路濾波器的輸入端；第一電荷重分配型電容陣列和第二電荷重分配型電容陣列用于基于SAR數字邏輯電路輸出的數字碼和輸入電壓信號產生逐次逼近的參考電壓，并在本次轉換周期的最后產生本次轉換周期的余差電壓；無源環路濾波器用于對本次轉換周期的余差電壓進行噪聲整形，并保持本次轉換周期整形后的差分電壓，以及在下一轉換周期向全差分動態放大器輸出本次轉換周期整形后的差分電壓；全差分動態放大器用于提供穩定的直流增益，對無緣環路濾波器輸出的本次轉換周期整形后的差分電壓進行補償，并優化噪聲傳遞函數的零極點，輸出本次轉換周期經過補償的差分電壓，以用作下一轉換周期的經過補償的差分電壓。