多级δ-σ模数转换器中数模转换器误差反馈的抵消的制作方法
【专利说明】多级A-2模数转换器中数模转换器误差反馈的抵消
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本非临时专利申请受益于或要求，根据美国专利法35USC§ 119(e)，提交于2014 年4月7日，标题为"多级A-2模数转换器中反馈数模转换器误差的抵消"的美国临时专 利申请号61/976, 116,（代理人案号26256. 0261-P)的优先权，在此通过引用整体并入本 文。
技术领域
[0003] 本公开一般涉及到模拟一数字转换器（ADC)，更具体地，涉及到连续时间多级噪声 整形（MASH)A-2 (DS)的ADC中反馈数模转换器（DAC)误差的抵消或减少。
【背景技术】
[0004] 在许多电子应用中，模拟输入信号被转换为数字输出信号（例如，为了进一步数 字信号处理）。例如，在精确测量系统中，电子装置被设置有一个或多个进行测量的传感器， 并且这些传感器可以生成模拟信号。模拟信号然后将被作为输入提供到模数转换器（ADC) 以便生成进一步处理的数字输出信号。在另一种情况中，天线根据空中携带信息/信号的 电磁波生成模拟信号。由天线生成的模拟信号随后作为输入提供到ADC以便生成进一步处 理的数字输出信号。
[0005] 模数转换器可以在许多地方被发现，例如宽带通信系统、音响系统、接收器系统 等。ADC可以转换表示真实世界的现象，例如，光、声、温度或压力的模拟电信号用于数据处 理的目的。模数转换器被用于广泛的应用领域，包括通信、能源、医疗、仪器仪表和测量、电 机控制、工业自动化和航空航天/国防。因为每个应用领域在速度、性能、功率、成本和尺寸 上有着不同的需求，所以ADC的设计是意义重大的任务。随着需要ADC的应用领域的增长， 对准确且可靠的转换性能的需要也在增长。
【发明内容】
[0006] 本申请描述了用于数字地校正多级整形（MASH)模数转换器（ADC)至少第一级的 数模转换器（DAC)的静态失配的机制。校正适用于连续时间的实现，并且对高速应用领域 尤其具有吸引力。
【附图说明】
[0007] 图1是A-2模数转换器的说明性系统框图；
[0008] 图2A示出了单个位的数模转换器的数字输入与模拟输出的示例性曲线图；
[0009] 图2B示出了多个位的数模转换器的数字输入与模拟输出的示例性曲线图；
[0010] 图3A示出了理想的数模转换器的说明性频谱；
[0011] 图3B示出了 10位线性数模转换器的说明性频谱；
[0012] 图4示出了具有反馈数模转换器的误差校正的A-2模数转换器的说明性系统框 图；
[0013]图5示出了实现误差校正的A-2模数转换器的说明性系统框图；
[0014]图6示出了多级噪声整形模数转换器的说明性系统框图；
[0015] 图7示出了根据本公开的一些实施例，具有反馈数模转换器的误差校正的多级噪 声整形模数转换器的说明性系统框图；
[0016] 图8示出了根据本公开的一些实施例，没有误差校正的多级噪声整形模数转换器 与具有反馈数模转换器的误差校正的多级噪声整形模数转换器的示例性结果；
[0017] 图9示出了根据本公开的一些实施例，具有反馈数模转换器的误差校正的多级噪 声整形模数转换器的说明性实现；
[0018] 图10示出了根据本公开的一些实施例，具有反馈数模转换器的误差校正的多级 噪声整形模数转换器的另一个说明性实现；
[0019] 图11示出了根据本公开的一些实施例，具有反馈数模转换器的误差校正的多级 噪声整形模数转换器的又一个说明性实现；
[0020] 图12示出了根据本公开的一些实施例的方法，说明用于多级噪声整形模数转换 器中将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法的流程图；和
[0021] 图13示出了根据本公开的一些实施例，说明用于多级噪声整形模数转换器中 (MASHADC)中抵消反馈数模转换器（DAC)误差的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 模数转换器的基础知识
[0023] 模数转换器（ADC)是将由模拟信号携带的连续的物理量转换为表示量的幅度（或 携带数码的数字信号）的数码的电子设备。转换涉及到模拟输入信号的量化，所以这将引 入少量误差。通常，量化在模拟输入信号的周期性采样过程中发生。结果是将连续时间和 连续幅度的模拟输入信号转换成离散时间和离散幅度的数字信号的数码序列（即，数字信 号）。
[0024]ADC通常通过以下应用需求来定义：它的带宽（能够正确地转换成数字信号的模 拟信号的频率范围）、它的分辨率（能够被分离并且以数字信号方式表示的最大模拟信号 的离散水平的值）、和它的信噪比（ADC能够如何精确地测量信号相对于ADC的引入噪声）。 模数转换器（ADC)有许多不同的设计，它们可以根据应用的要求进行选择。
[0025]A-2模数转换器
[0026] 基于A-2 (DS)调制的（在本文中称为"DSADC"）的模数转换器（ADC)已被广泛 用于数字音频和高精度仪器系统。图1是A-2模数转换器（DSADC)的说明性系统框图。 DSADC包括环路滤波器102、量化器104、和反馈数模转换器（DAC)106(即，在DSADC反馈 通路中的DAC)。
[0027]DSADC通常提供了能够低成本地将模拟输入信号转换成高分辨率的数字信号的 优势。通常，DSADC使用DS调制器编码模拟信号u。量化器104可以被用于此目的，采用， 例如，低分辨率的ADC，如1位ADC、快闪型ADC、快闪量化器等。然后，如果适用的话，DSADC 可以使用数字滤波器（未示出）到DS调制器的输出（即，量化器104)以形成更高分辨率 的数字输出。环路滤波器102,具有一个或多个积分器，可以被包含为DSADC提供误差反馈 和有助于整形从量化器106的基带外到较高频率的噪声。误差通常通过取原始模拟输入信 号u和使用反馈DAC106(其中，数字化的信号v转换回成模拟信号）生成的原始模拟输入信 号的重建版本之间的差来生成。DSADC的一个关键特征是将量化噪声q(来自量化器104) 推向更高频率的能力，也称为噪声整形。噪声整形的量取决于环路滤波器102的阶。因此， DSADC-般都能够实现高分辨率模数转换。由于它的普及，DSADC与采用DSADC的结构 的许多变型已经被提出。
[0028] 来自反馈数模转换器的噪声
[0029] 反馈数模转换器（例如，图1的DAC106)，在一些情况下，不是理想的。虽然DSADC， 特别是环路滤波器，能够对来自量化器104的噪声整形，因为没有整形来自反馈DAC106的 误差e，所以DSADC没有校正。其结果是，来自DAC106的误差e在数字输出v上呈现。换 句话说，如果没有对DSADC的进一步修改，DSADC可能与整体的DSADC-样需要反馈DAC。
[0030]图2A示出了单位数模转换器的数字输入与模拟输出的示例性曲线图。在一些实 现中，反馈DAC106使用单个位DAC来实现。在这些实现中，由于单个位DAC的线性度（如 在图中看到的，只有两个小点，所以它们总是匹配完美线），误差不是一个显著问题。然而， 由于性能和ADC的分辨率的要求的提升，后续的实现使用多位DAC。图2B示出了多位数模 转换器的数字输入与模拟输出的示例性曲线图。如看到的曲线，多位DAC呈现误差（即，所 看到的点和线之间的间隔）。已做出努力以调节DAC的输入/输出或校正DAC促使DAC具 有理想的表现。
[0031] 图3A示出了理想的数模转换器的说明性频谱。如这个理想的频谱所见，对于信号 存在强峰值和正常的噪声分布。图3B示出了 10位线性数模转换器的说明性频谱。如该频 谱所见，有强信号，同时存在可能导致DAC中严重误差的多个谐波。10位线性的DAC的信噪 与失真率（60. 5分贝对比的理想的DAC84. 3分贝）小于10位线性数模转换器的理想值。
[0032] 多级噪声整形模数转换器（MASHADC)
[0033] 已经提出了DSADC的不同变型以实现适合于各种系统的各种优势。有些DSADC 已经关注功率，而其他一些DSADC关注复杂性。在某些情况下，DSADC关注精度，即对误差 和/或噪声的控制。例如，对于重点在噪声整形应用领域，更高阶的DS调制器都可以使用， 也就是，更多积分器和反馈通路被用在环路滤波器用以整形甚至更多的量化噪声到高频。
[0034] 已经提出DSADC的一组结构一多级噪声整形（MASH)ADC-具有前端和后端的一 些变型，其中输入到每个调制器不同，和/或级的实现所有不同。一般来说，MASHADC可以 包括多级用于数字化系统的信号与误差以满足与带宽、分辨率与信噪比相关的设计要求。 MASHADC的一个优势在于设计级联稳定的低阶环路同时实现高阶环路的良好性能（潜在 地不稳定）。这些级的一个或多个通常使用原始模拟输入信号作为参考信号以产生残留信 号（即，在模拟输入信号的重建版本间的误差）以减少由ADC引入的噪声量和/或提高输 出的分辨率。
[0035] 从模拟输入信号，第一级使用第一ADC生成数字输出信号。第一级中量化器（例 如，模拟输入信号）的输入可以从第一DAC的模拟输出中减去以产生第一级的量化噪声。其 结果是第一级生成表示它的量化噪声的模拟信号，并且第二级使用第二ADC量化第一级的 量化噪声。多级方法允许量化噪声被减小，从而允许MASHADC实现更高的性能。如果多级 被使用，第二级中量化器的输入可以从第二DAC的模拟输出中减去以产生可以反过来由第 三级量化的第二级的量化噪声。有效地，其结果是第一级的量化噪声被第二级抑制，并且第 二级的量化噪声由第三级抑制（产生与单一三阶环路相同的抑制，即使用三个更稳定的一 阶环路代替）。
[0036] 虽然提供多阶增加了复杂性和成本，MASHADC可以实现卓越的性能。然而，许多