sigma-delta调制器中使用的多电平电容式数模转换器的制作方法

本公开涉及一种在sigma-delta调制器中使用的多电平电容式数模转换器。

背景技术：

如今，sigma-delta调制器广泛应用于多种电子应用中。sigma-delta调制器(sdm)在输入端处接收模拟输入信号，并输出与所述模拟输入信号成比例的数字值。如果sigma-delta调制器使用开关电容电路(sc)的布置，则该调制器通常使用电容式数模转换器(dac)来实现调制器的反馈路径。

多位sigma-delta调制器比单位sigma-delta调制器具有更高的分辨率和更好的稳定性条件。然而，多位sigma-delta调制器的一大挑战是实现线性多位数模转换器。如果调制器的反馈路径中的多位dac存在非线性，则调制器输出处的输入信号将发生谐波失真，并且由于混叠将使高频量化噪声降至信号频带，从而导致本底噪声增大。

为了解决这一问题，可以使用动态元件匹配(dem)来降低对dac非线性的灵敏度。然而，由于dem和其它解决方案会导致数字复杂性和电路面积的增加，因此具有dem和其他解决方案的多位sigma-delta调制器不适用于面积受限的模数转换器(adc)，如成像应用的模拟前端中的像素adc。

需要提供一种动态范围大、面积消耗小的多电平电容式数模转换器。

技术实现要素：

在权利要求1中规定了一种多电平电容式数模转换器，其基于需要小面积的简单电路的使用且具有大动态范围。

所述多电平电容式数模转换器包括至少一个电容器开关电路，所述至少一个电容器开关电路器具有第一参考输入端以施加第一参考电位和第二参考输入端以施加第二参考电位。所述至少一个电容器开关电路包括具有第一输入节点和第二输入节点的差分运算放大器。所述至少一个电容器开关电路包括第一电流路径和第二电流路径。第一电流路径耦合至第一参考输入端，且第二电流路径耦合至第二参考输入端。差分运算放大器的第一输入节点连接到第一电流路径，且差分运算放大器的第二输入节点连接到第二电流路径。

所述至少一个电容器开关电路包括第一可控开关，所述第一可控开关布置在差分运算放大器的第二输入节点与第一电流路径之间。所述至少一个电容开关电路包括第二可控开关，所述第二可控开关布置在差分运算放大器的第一输入节点与第二电流路径之间。

附图说明

图1示出了具有一个电容器单元的电容式7电平数模转换器的实施例；

图2示出了具有用于控制7电平数模转换器的电容器单元的可控开关的开关信号的信号序列的表；

图3示出了开关信号的信号序列，以控制7电平数模转换器的电容器单元的可控开关；

图4示出了具有一个电容器单元的电容式5电平数模转换器的实施例；

图5示出了具有用于控制5电平数模转换器的电容器单元的可控开关的开关信号的信号序列的表；

图6示出了图示数模转换器的输出电平与数模转换器的电容器单元的比的图；

图7示出了多位sigma-delta调制器的实施例的框图；

图8示出了基于具有一个电容器单元dac的matlab模型的二阶sigma-delta调制器的框图；以及

图9示出了具有用于dac的不同实施例的二阶多位sigma-delta调制器的信噪比和失真比(sndr)。

具体实施方式

图1示出了具有至少一个电容器单元的多电平电容式数模转换器10的实施例，其中至少一个电容器单元被配置成电容器开关电路100。至少一个电容器开关电路100具有第一参考输入端e100a以施加第一参考电位refp和第二参考输入端e100b以施加第二参考电位refn。至少一个电容器开关电路100包括差分运算放大器130，差分运算放大器130的输入侧具有输入节点e130a和输入节点e130b。所述至少一个电容器开关电路100包括电流路径101，所述电流路径101耦合至参考输入端e100a以施加参考电位refp。至少一个电容器开关电路100还包括电流路径102，所述电流路径耦合至参考输入端e100b以施加参考电位refn。差分运算放大器的输入节点e130a连接到电流路径101，并且差分运算放大器130的输入节点e130b连接到电流路径102。

至少一个电容器开关电路100还包括布置在差分运算放大器130的输入节点e130a与电流路径101之间的可控开关111。所述至少一个电容器开关电路100还包括布置在差分运算放大器130的输入节点e130a与电流路径102之间的可控开关112。

至少一个电容器开关电路100还包括输出端a100a和输出端a100b，以在输出端a100a和a100b之间产生输出信号。差分运算放大器130具有连接到输出端a100a的输出节点a130a和连接到输出端a100b的输出节点a130b。所述至少一个电容器开关电路100还包括积分电容器140和积分电容器150。积分电容器140布置在差分运算放大器130的输入节点e130a与输出节点a130a之间。积分电容器150布置在差分运算放大器130的输入节点e130a与输出节点a130b之间。

至少一个电容器开关电路100包括传输电容器160和传输电容器170。传输(transfer)电容器160布置在参考输入端e100a与积分电容器140之间的电流路径101中。传输电容器170布置在参考输入端e100b与积分电容器150之间的电流路径102中。

至少一个电容器开关电路100包括可控开关113和可控开关114。可控开关113布置在积分电容器140与传输电容器160之间的电流路径101中。可控开关114布置在积分电容器150与传输电容器170之间的电流路径102中。

至少一个电容器开关电路100包括可控开关115和可控开关116。可控开关115布置在参考电位rp与电流路径101的位点p101a之间。电流路径101的位点p101a位于可控开关113与传输电容器160之间。可控开关116布置在参考电位rp与电流路径102的位点p102a之间。电流路径102的位点p102a位于可控开关114与传输电容器170之间。

可控开关111布置在差分运算放大器130的输入节点e130b与电流路径101的位点p101a之间。可控开关112布置在差分运算放大器130的输入节点e130a与电流路径102的位点p102a之间。

所述至少一个电容器开关电路100包括可控开关117，该可控开关布置在参考输入端e100a与传输电容器160之间的电流路径101中。所述至少一个电容器开关电路100还包括可控开关118，该可控开关布置在参考输入端e100b与传输电容器170之间的电流路径102中。

所述至少一个电容器开关电路100包括可控开关119，该可控开关布置在参考输入端e100b与电流路径101的位点p101b之间。电流路径101的位点p101b位于可控开关117与传输电容器160之间。至少一个电容器开关电路100还包括可控开关120，该可控开关布置在参考输入端e100a与电流路径102的位点p102b之间。电流路径102的位点p102b位于可控开关118与传输电容器170之间。

至少一个电容器开关电路100包括可控开关121，该可控开关布置在参考电位rp与电流路径101的位点p101b之间。至少一个电容器开关电路100包括可控开关122，该可控开关布置在参考电位rp与电流路径102的位点p102b之间。

多电平数模转换器被配置成在两个运行阶段中传输信号，一个阶段用于采样信号，另一个阶段用于将信号传输到下一级。多电平电容式数模转换器10包括开关控制器110。开关控制器110被配置成通过产生相应的开关信号pa、pb、pc、pd、pe和pf来控制可控开关111、112、…、122的导通和非导通开关状态。开关控制器110被配置成在多电平电容式数模转换器10的第一和第二运行阶段期间，产生具有第一信号电平和第二信号电平的多个不同信号序列p1、p1d、p2、p2d的开关信号pa、…、pf。

图2示出了包括开关信号pa、…、pf的表，用于控制可控开关111、…、122和相应的信号序列p1、p1d、p2、p2d、on和off以实现多电平数模转换器的输出信号的-4、-2、-1、0、+1、+2和+4的电平。开关控制器110产生开关信号pa以控制可控开关117和118。开关控制器110产生开关信号pb以控制可控开关119和120。开关控制器110产生开关信号pc以控制可控开关121和122。开关控制器110产生开关信号pd以控制可控开关113和114。开关控制器110产生开关信号pe以控制可控开关111和112。开关控制器110产生开关信号pf以控制可控开关115和116。

图3示出了在多电平数模转换器的第一和第二运行阶段op1和op2期间，开关信号pa、…、pf的第一信号电平和第二信号电平(即高电平和低电平)的不同信号序列p1、p1d、p2、p2d、on和off。如图3所示，信号序列p1和p2被配置成非重叠时钟，而信号序列p1d和p2d是信号序列p1和p2的延迟版本。

开关控制器110被配置成产生具有第一信号电平和第二信号电平的信号序列p1的开关信号pa、…、pf。从第一运行阶段开始时或在第一运行阶段开始之后的第一时刻开始直到第一运行阶段op1结束的时刻之前的第一运行阶段op1的第二时刻，信号电平的第一序列p1具有第一电平，如高电平。从第一运行阶段op1的第二时刻直到第一运行阶段op1结束的时刻以及在第二运行阶段op2期间，开关控制器110产生具有第二电平(例如，低电平)的信号电平的第一信号序列p1。

开关控制器110还被配置成产生具有第一信号电平和第二信号电平(例如，高信号电平和低信号电平)的信号序列p1d的开关信号pa、…、pf。从第一运行阶段的第一时刻之后的第一运行阶段op1的第三时刻直到第一运行阶段op1结束的时刻，第二信号序列p1d具有第一电平，例如高电平。从第一运行阶段op1的开始直到第一运行阶段op1的第三时刻以及在第二运行阶段op2期间，产生具有第二信号电平(例如低电平)的信号序列p1d。

开关控制器110还被配置成产生具有第一信号电平和第二信号电平(例如，高电平和低电平)的信号序列p2的开关信号pa、…、pf。从第二运行阶段op2开始时或第二运行阶段op2开始之后的第二运行阶段op2的第一时刻直到第二运行阶段op2结束时刻之前的第二运行阶段op2的第二时刻，信号序列p2具有第一电平，如高电平。从第二运行阶段op2的第二时刻直到第二运行阶段的结束时刻以及在第一运行阶段op1期间，信号序列p2具有第二电平，例如低电平。

开关控制器110还被配置成产生具有第一信号电平和第二信号电平(例如，高电平和低电平)的信号序列p2d的开关信号pa、…、pf。从在第二运行阶段op2的第一时刻之后的第二运行阶段op2的第三时刻直到第二运行阶段op2结束的时刻，第二信号序列p2d具有第一电平，例如高电平。从第二运行阶段op2的开始直到第二运行阶段op2的第一时刻以及在第一运行阶段op1期间，产生具有第二信号电平(例如低电平)的信号序列p2d。

开关控制器110还被配置成产生具有on和off信号序列的开关信号pa、…、pf。信号序列off意味着开关信号在第一和第二运行阶段具有第二信号电平，例如低信号电平。信号序列on意味着开关信号在第一和第二运行阶段具有第一信号电平，例如高信号电平。

当相应的开关信号pa、…、pf具有第一电平，例如高电平时，可控开关111，…，122被配置成在导通状态下操作。当相应的开关信号pa，…，pf具有第二电平，例如低电平时，可控开关111、…、122被配置成在导通状态下工作。

通过两个示例来说明图2的表的内容，这些示例用于产生几个电平的输出信号。由多电平数模转换器10通过产生具有信号序列p2d的开关信号pa以控制可控开关117和118来产生输出信号的电平+4。通过开关控制器110产生具有信号序列p1d的开关信号pb以控制可控开关119和120。通过开关控制器110产生具有信号序列off的开关信号pc以控制可控开关121和122。开关控制器110产生具有信号序列p1的开关信号pd以控制可控开关113和114。开关控制器110产生具有信号序列p2的开关信号pe以控制可控开关111和112。在第一和第二运行阶段期间，通过开关控制器110产生具有信号序列off(即低电平)的开关信号pf来控制可控开关115和116。

作为另一示例，在第一和第二运行阶段op1和op2期间，由多电平数模转换器10通过从开关控制器110产生具有信号序列p2d的开关信号pa，并且通过从开关控制器110产生具有信号序列off(即低电平)的开关信号pb、pc、pd和pe来产生输出信号“0”。在第一和第二运行阶段op1和op2期间，通过开关控制器110产生具有信号序列on(即高电平)的开关信号pf。

如图2所示，多电平电容式数模转换器10的至少一个电容器开关电路100被配置成产生七个电平的输出信号，即电平+4、+2、+1、0、-1、-2和-4。多电平电容式数模转换器10可以包括如图1所示的数量为n的至少一个电容器开关电路100。多电平电容式数模转换器10被配置成产生8*n-1个电平的输出信号。

多电平电容式数模转换器10的输出信号的输出电平是非均匀的。然而，除了信号电平“4*n-1”和“-4*n+1”之外，能够实现输出信号的所有信号电平。仅限于均匀的数模转换器，可以实现从“-4*n+2”到“4*n-2”的输出信号电平。这意味着图1所示配置中的多电平数模转换器10被配置成输出8*n-3个均匀信号电平。例如，在向多电平数模转换器10提供至少一个电容器开关电路100中的三个的情况下，输出信号的输出电平为“+12、+10、+9、+8、+7、+6、+5、+4、+3、+2、+1、0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-12”。这意味着输出电平的总数为23，其中23个可能的电平的输出信号中的21个电平是均匀的输出电平。

在图1所示的多电平数模转换器10的配置中，如senderowicz等人1997年1月在ieeej.固态电路，第32卷，第1期，第41-50页，发表的“low-voltagedouble-sampledsigmadeltaconverters(低压双采样sigma-delta转换器)”中描述的浮动双采样，用于实现数模转换器10的输出电平“+4”和“-4”。在大多数sigma-delta调制器中使用的两个运行阶段系统中，在信号电平“+3”、“-3”之后不可以实现输出电平“+4”、“-4”，使得数模转换器不均匀。然而，非均匀量化或半均匀量化对于实现具有大动态范围的多位sigma-delta调制器很有用。

us2014/0253355a1提出了一种不使用dem的多位sigma-delta调制器。多位sigma-delta调制器包括使用n个电容器开关电路200的多电平电容式数模转换器20。多电平电容式数模转换器20被配置成使用n个电容器单元200产生4*n+1个电平的输出信号。多电平电容式数模转换器20可以使用一个电容器单元200产生5个电平的输出信号。

在图4中示出了具有一个电容器单元200的电容式5电平数模转换器20的示例性实施例。电容器单元200包括差分运算放大器230，其具有输入节点e230a和输入节点e230b。电容器单元200包括耦合至参考输入端e200a以施加参考电位refp的电流路径201和耦合至参考输入端e200b以施加参考电位refn的电流路径202。差分运算放大器230的输入节点e230a连接到电流路径201。差分运算放大器230的输入节点e230b连接到电流路径202。

电容器单元200具有输出端a200a和输出端a200b，以在输出端a200a与a200b之间产生输出信号。差分运算放大器230的输出节点a200a连接到输出端a200a。差分运算放大器230的输出节点a230b连接到输出端a200b。电容器单元200包括布置在差分运算放大器230的输入节点e230a与输出节点a230a之间的积分电容器240。电容器单元200还包括布置在差分运算放大器230的输入节点e230a与输出节点a230b之间的积分电容器250。

电容器单元200还包括传输电容器260，所述传输电容器布置在参考输入端e200a与积分电容器240之间的电流路径201中。电容器单元200还包括传输电容器270，所述传输电容器布置在参考输入端e200b与积分电容器250之间的电流路径202中。

电容器单元200包括可控开关211，所述可控开关布置在积分电容器240与传输电容器260之间的电流路径201中。另一可控开关212布置在积分电容器250与传输电容器270之间的电流路径202中。电容器单元200还包括可控开关213，所述可控开关布置在参考电位rp与电流路径200的位点p201a之间，所述位点p201a在可控开关211与传输电容器260之间。另一可控开关214布置在参考电位rp与电流路径202的位点p202a之间，所述位点p202a在积分电容器250与传输电容器270之间。

可控开关215布置在传输电容器260与施加参考电位refp的参考输入端e200a之间的电流路径201中。可控开关216布置在传输电容器270与施加参考电位refn的参考输入端e200b之间的电流路径202中。可控开关217布置在电流路径201和电流路径202之间。具体地，可控开关217连接到可控开关215与传输电容器260之间的电流路径201的位点p201b。可控开关217还连接到可控开关216与传输电容器270之间的位点p202b。

电容器单元200包括可控开关218，所述可控开关连接在参考输入端子e200a与电流路径202的位点p202b之间。电容器单元200还包括可控开关219，所述可控开关连接在参考输入端子e200b与电流路径201的位点p201b之间。

可控开关211、…、219由开关控制器210控制。图5示出了一个表，其示出了开关信号pa、…、pe的信号序列p1、p1d、p2、p2d和off，用于控制可控开关211、…、219。由开关控制器210产生开关信号pa以控制可控开关215和216。由开关控制器210产生开关信号pb以控制可控开关218和219。由开关控制器210产生开关信号pc以控制可控开关217。由开关控制器270产生开关信号pd以控制可控开关213和214的开关状态。由开关控制器210产生开关信号pe以控制可控开关211和212的开关状态。

图5的表示出了用开关信号pa、...、pe控制可控开关211、...、219，以产生多电平电容式数模转换器20的输出信号的不同输出电平+2、+1、0、-1、-2。通过控制可控开关211、…、219来产生输出信号的输出电平+2和0来解释该表。

为了产生输出电平+2，开关控制器210产生开关信号pa以用图3所示的信号序列p1d来控制可控开关215和216。可控开关218和219由具有信号序列p2d的开关信号pb控制。可控开关217由具有信号序列off的开关信号pc控制。开关控制器210还产生具有信号序列p1的开关信号pd以控制可控开关213和214，并且产生开关信号pe以通过信号序列p2控制可控开关211和212。

为了通过多电平电容式数模转换器20产生输出信号的输出电平0，开关控制器210产生具有信号序列为off的开关信号pa和pb以及具有信号序列为p1d和p2d的组合的开关信号pc。可控开关213和214由具有信号序列p1的开关信号pd控制，并且可控开关211和212由具有信号序列p2的控制信号pe控制。

由于多电平电容式数模转换器20的五电平dac输出是高度线性的，即使电容器不匹配，也不需要dem或其他解决方案来减小dac非线性的灵敏度。因此，可以实现电路简单且面积小的多位sigma-delta调制器。然而，如果需要超过五个电平的输出信号，则电路复杂度增加。多电平电容式数模转换器20的实施例使用n个电容器来实现4*n+1个输出电平的输出信号。

图6示出了用于图1的多电平数模转换器10和图4的多电平数模转换器20的电路配置的dac输出电平的数量与电容器单元/电容器开关电路100的数量的比值。根据图6的图表，所需的电容器开关电路的数量几乎减少了一半，以实现相同的分辨率。这意味着使用多电平数模转换器10的sigma-delta调制器需要更小的面积和更简单的电路。

图7示出了sigma-delta调制器1的实施例，所述调制器1包括施加模拟输入信号的输入端e1和根据输入端e1处的模拟输入信号输出数据字p的输出端a1。sigma-delta调制器1包括前向路径11和反馈路径12。前向路径11包括求和块30、环路滤波器40和多位量化器50。反馈路径12包括多电平电容式数模转换器10，如图1所示。求和块30具有连接到sigma-delta调制器的输入端e1的第一输入节点e30a和连接到反馈路径12的第二输入节点e30b，以接收多电平电容式数模转换器10的输出信号。sigma-delta调制器1还包括数字滤波器60，数字滤波器60在多位量化器50的输出处接收比特流bs，并在输出端a1处生成数据字p。

图8示出了二阶sigma-delta调制器的框图，其中图7所示的sigma-delta调制器的不同组件由matlab模型块再现。数模转换器由实施例10或20实现，以便比较dac10和20的两个实施例的性能。多电平dac10和20分别包括一个电容器开关电路100、200。

matlab模型的仿真结果如图9所示。由于多电平dac10和20仅包括一个电容器开关电路100、200，因此这些实施方式不需要dem。如图9所示，配置如图2所示的半均匀多电平数模转换器10能够以与均匀dac相同的硬件复杂度实现高动态范围。从图9的结果可以看出，包含图1的7电平半均匀dac的多电平sigma-delta调制器具有与9电平均匀dac相同的动态范围sdm，而最大信噪比和失真比(sndr)与图4的5电平dac的实施例相同。

附图标记说明

1sigma-delta调制器150第二积分电容器

10多电平电容式dac160第一传输电容器

20多电平电容式dac170第二传输电容器

30求和块200电容器开关电路

40环路滤波器210开关控制器

50多位量化器211、…、219可控开关

60数字滤波器230差分运算放大器

100电容器开关电路240第一积分电容器

110开关控制器250第二积分电容器

111、…、122可控开关260第一传输电容器

130差分运算放大器270第二传输电容器

140第一积分电容器