本發(fā)明涉及數(shù)模混合集成電路設(shè)計領(lǐng)域，更具體涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、sar?adc因其低功耗，與先進工藝適配度更高的特點，占據(jù)了中高精度adc的市場，但受限于比較器噪聲和電容面積，sar?adc在高精度adc領(lǐng)域的適用性大打折扣，傳統(tǒng)的高精度adc大多還是使用sigma?delta?adc架構(gòu)，但由于sigma?delta?adc實現(xiàn)積分功能需要用到性能較為出色的放大器，這不僅帶來功耗較高的問題，且導(dǎo)致sigma?delta?adc無法完美適配先進工藝，為充分利用先進工藝帶來的設(shè)計優(yōu)勢，ns?sar?adc應(yīng)運而生，ns?sar?adc結(jié)合兩者優(yōu)勢，在sar?adc的基礎(chǔ)上加入了環(huán)路濾波器，相比于sar?adc，ns?sar?adc借助噪聲整形和過采樣的技術(shù)，更容易實現(xiàn)高精度的要求。

2、為了讓ns?sar?adc保持sar?adc低功耗的優(yōu)勢，無源積分的環(huán)路濾波器成為首選，雖然無源積分有效保證了低功耗，但依靠電荷共享實現(xiàn)的無源積分構(gòu)造的噪聲傳輸函數(shù)（noise?transfer?function，ntf）較為平滑，致使其噪聲整形能力一般，傳統(tǒng)ns?sar?adc一般借助多輸入比較器實現(xiàn)積分電壓與輸入信號相加，比較器額外的輸入端帶來額外的熱噪聲、回踢噪聲和功耗，此外，傳統(tǒng)差分結(jié)構(gòu)的ns?sar?adc的總積分電容是單端積分電容的兩倍，導(dǎo)致ns?sar?adc在電路面積上不占優(yōu)勢。

3、綜上，現(xiàn)ns?sar?adc相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題有待改善。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc的實現(xiàn)方法，此結(jié)構(gòu)優(yōu)化了無源積分的噪聲整形效果。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)了基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc，所述方法包括：一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc包括采樣保持電路、比較器、邏輯控制電路、dac電容陣列、環(huán)路濾波器，其中dac電容陣列又分為dacp和dacn，環(huán)路濾波器包括余差采樣電容cs、第一階積分電容cint1p,o，cint1p,e，cint1n,o，cint1n,e，第二階積分電容cint2p,o，cint2p,e，cint2n,o，cint2n,e，動態(tài)放大器及若干開關(guān)。

3、進一步地，整體ns?sar?adc的工作順序可概括為以下階段：輸入電壓采樣后輸入比較器，比較器結(jié)果輸入邏輯控制電路，進而控制dac電容陣列的開關(guān)切換，實現(xiàn)逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，再對其余差電壓進行處理，然后進行第一階無源積分、第一階有源放大得到第一階積分電壓，第二階無源積分、第二階有源放大得到第二階積分電壓，將得到的兩個積分電壓與下一周期采樣到的輸入電壓相加，開始下一個周期的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。

4、更進一步地，在ns?sar?adc的余差處理階段，余差采樣電容cs上下極板分別與dacp和dacn上極板之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

5、更進一步地，在ns?sar?adc第一階無源積分階段，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o和cint1n,o的上下極板分別與dacp和dacn上極板之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e和cint1n,e的上下極板分別與dacp和dacn上極板之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

6、更進一步地，在ns?sar?adc第一階有源放大階段，dacp和dacn上極板與動態(tài)放大器兩輸入端之間的開關(guān)閉合，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e和cint1n,e的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o和cint1n,o的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

7、更進一步地，在ns?sar?adc第二階無源積分階段，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o的上極板與cint1n,o的上極板間的開關(guān)閉合，構(gòu)成二倍增益的無源電荷泵，用于將第一階無源積分后的電壓放大兩倍進行第二階無源積分，cint1n,o的下極板與cint1p,o的下極板分別與cint2p,o和cint2n,o上下極板間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e的上極板與cint1n,e的上極板間的開關(guān)閉合，cint1n,e的下極板與cint1p,e的下極板分別與cint2p,e和cint2n,e上下極板間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

8、更進一步地，在ns?sar?adc第二階有源放大階段，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o的上極板與cint1n,o的上極板及參考電壓vcm間的開關(guān)閉合，cint1n,o的下極板與cint1p,o的下極板分別與動態(tài)放大器兩輸入端間的開關(guān)閉合，cint2p,e和cint2n,e的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e的上極板與cint1n,e的上極板及參考電壓vcm間的開關(guān)閉合，cint1n,e的下極板與cint1p,e的下極板分別與動態(tài)放大器兩輸入端間的開關(guān)閉合，cint2p,o和cint2n,o的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

9、更進一步地，利用環(huán)路濾波器對余差電壓進行處理并完成第一、二階積分及放大后，ns?sar?adc進行下一轉(zhuǎn)換周期，在完成采樣后，利用電容堆疊技術(shù)，將輸入信號電壓與積分電壓求和，輸入到比較器進行量化。

10、更進一步地，上述過程具體為：若為奇數(shù)轉(zhuǎn)換周期，則cint1p,e下極板連接dacp，上極板連接cint2p,e下極板，cint2p,e上極板連接比較器同相輸入端，cint1n,e下極板連接dacn，上極板連接cint2n,e下極板，cint2n,e上極板連接比較器反相輸入端；若為偶數(shù)轉(zhuǎn)換周期，則cint1p,o下極板連接dacp，上極板連接cint2p,o下極板，cint2p,o上極板連接比較器同相輸入端，cint1n,o下極板連接dacn，上極板連接cint2n,o下極板，cint2n,o上極板連接比較器反相輸入端。

11、更進一步地，動態(tài)放大器由同一硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即本發(fā)明提出的用于二階噪聲整形的動態(tài)放大器復(fù)用技術(shù)。

12、更進一步地，所述ns?sar?adc的傳遞函數(shù)的z域表達式為：上式中，dout(z)表示輸出的數(shù)字碼對應(yīng)的電壓，vin(z)表示輸入電壓，q(z)表示量化噪聲。

13、本發(fā)明具有以下技術(shù)特點：為構(gòu)造更為陡峭的ntf提高噪聲整形能力，本發(fā)明利用動態(tài)放大器對完成積分后的積分電壓進行放大，再將其與下一周期的輸入信號相加后進行量化，經(jīng)此操作，ntf幾乎接近，顯著提高了系統(tǒng)的噪聲整形能力，因?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明提出的無源積分和有源放大過程需要用到的電容數(shù)量較多，為盡量減小電容的面積，本發(fā)明使用全差分結(jié)構(gòu)，在減小電容面積的同時使用電容堆疊技術(shù)，避免了多輸入比較器帶來額外的噪聲和功耗。

技術(shù)特征：

1.一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)包括采樣保持電路、比較器、邏輯控制電路、dac電容陣列、環(huán)路濾波器，其中dac電容陣列又分為dacp和dacn，環(huán)路濾波器包括余差采樣電容cs、第一階積分電容cint1p,o，cint1p,e，cint1n,o，cint1n,e，第二階積分電容cint2p,o，cint2p,e，cint2n,o，cint2n,e，動態(tài)放大器及若干開關(guān)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc，其特征在于，整體nssar?adc的工作順序可概括為以下階段：輸入電壓采樣后輸入比較器，比較器結(jié)果輸入邏輯控制電路，進而控制dac電容陣列的開關(guān)切換，實現(xiàn)逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，再對其余差電壓進行處理，然后進行第一階無源積分、第一階有源放大得到第一階積分電壓，第二階無源積分、第二階有源放大得到第二階積分電壓，將得到的兩個積分電壓與下一周期采樣到的輸入電壓相加，開始下一個周期的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc工作順序，其特征在于，在ns?sar?adc的余差處理階段，余差采樣電容cs上下極板分別與dacp和dacn上極板之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc工作順序，其特征在于，在ns?sar?adc第一階無源積分階段，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o和cint1n,o的上下極板分別與dacp和dacn上極板之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e和cint1n,e的上下極板分別與dacp和dacn上極板之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc工作順序，其特征在于，在ns?sar?adc第一階有源放大階段，dacp和dacn上極板與動態(tài)放大器兩輸入端之間的開關(guān)閉合，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e和cint1n,e的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o和cint1n,o的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc工作順序，其特征在于，在ns?sar?adc第二階無源積分階段，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o的上極板與cint1n,o的上極板間的開關(guān)閉合，cint1n,o的下極板與cint1p,o的下極板分別與cint2p,o和cint2n,o上下極板間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e的上極板與cint1n,e的上極板間的開關(guān)閉合，cint1n,e的下極板與cint1p,e的下極板分別與cint2p,e和cint2n,e上下極板間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc工作順序，其特征在于，在ns?sar?adc第二階有源放大階段，在奇次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,o的上極板與cint1n,o的上極板及參考電壓vcm間的開關(guān)閉合，cint1n,o的下極板與cint1p,o的下極板分別與動態(tài)放大器兩輸入端間的開關(guān)閉合，cint2p,e和cint2n,e的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開；在偶次轉(zhuǎn)換周期，cint1p,e的上極板與cint1n,e的上極板及參考電壓vcm間的開關(guān)閉合，cint1n,e的下極板與cint1p,e的下極板分別與動態(tài)放大器兩輸入端間的開關(guān)閉合，cint2p,o和cint2n,o的上下極板分別與動態(tài)放大器兩輸出端之間的開關(guān)閉合，其余開關(guān)斷開。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc工作順序，其特征在于，利用環(huán)路濾波器對余差電壓進行處理并完成第一、二階積分及放大后，ns?sar?adc進行下一轉(zhuǎn)換周期，在完成采樣后，輸入信號電壓與積分電壓求和，輸入到比較器進行量化，具體為：若為奇數(shù)轉(zhuǎn)換周期，則cint1p,e下極板連接dacp，上極板連接cint2p,e下極板，cint2p,e上極板連接比較器同相輸入端，cint1n,e下極板連接dacn，上極板連接cint2n,e下極板，cint2n,e上極板連接比較器反相輸入端；若為偶數(shù)轉(zhuǎn)換周期，則cint1p,o下極板連接dacp，上極板連接cint2p,o下極板，cint2p,o上極板連接比較器同相輸入端，cint1n,o下極板連接dacn，上極板連接cint2n,o下極板，cint2n,o上極板連接比較器反相輸入端。

9.根據(jù)權(quán)利要求5和7所述的有源放大階段，其特征在于，動態(tài)放大器由同一硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即本發(fā)明提出的用于二階噪聲整形的動態(tài)放大器復(fù)用技術(shù)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的ns?sar?adc，其特征在于，所述ns?sar?adc的傳遞函數(shù)的z域表達式為：上式中，dout(z)表示輸出的數(shù)字碼對應(yīng)的電壓，vin(z)表示輸入電壓，q(z)表示量化噪聲。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于動態(tài)放大器復(fù)用的噪聲整形(Noise?Shaping，NS)逐次逼近寄存器型(Successive?Approximation?Register，SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog?to?Digital?Converter，ADC)的實現(xiàn)方法，應(yīng)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，針對現(xiàn)有技術(shù)在實現(xiàn)噪聲整形功能時的不足之處，本發(fā)明在無源積分NS?SAR?ADC的基礎(chǔ)上，增加一個動態(tài)放大器，對其復(fù)用，實現(xiàn)二階噪聲整形的NS?SAR?ADC，以提高對SAR?ADC量化噪聲和比較器噪聲的整形效果，此外，本發(fā)明利用差分結(jié)構(gòu)，顯著降低積分電容面積，并利用電容堆疊技術(shù)規(guī)避了傳統(tǒng)NS?SAR?ADC多輸入比較器產(chǎn)生額外的噪聲和功耗這一問題。

技術(shù)研發(fā)人員：宋承琛,曹超,賈俊昌
受保護的技術(shù)使用者：恒辰微電子（山東）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15