流水线模数转换器的模数转换方法、流水线模数转换器与流程

本发明属于集成电路领域，具体涉及减小面积开销和功耗的流水线模数转换器的模数转换方法，以及使用该方法的流水线模数转换器，主要应用于流水线型模数转换器(pipelinedadc)设计，包括传统流水线模数转换器(pipelinedadc)和流水逐次逼近型模数转换器(pipe-saradc，sar是successiveapproximationanalog的缩写)。

背景技术：

高速adc主要有闪烁型(flash)adc、pipelinedadc两种结构。n位的flashadc只需要一次比较就可以产生结果，所以速度极快，但是其电路开销与2ⁿ呈正比，因此这种adc一般精度较低。pipelinedadc是流水线型工作，由多级组成，每一级由flashadc量化一定位数，然后将剩余的信号放大传送至下一级进行后续量化，pipelinedadc可以达到较高速度和较高精度。

但是，pipelinedadc的开销较大。如果采用单级量化位数多，级数少的结构，则每一级flashadc的位数较高，相应的功耗面积开销都较大；如果采用单级量化位数少、级数多的结构，则信号从采样到最终量化完成的延迟较长。并且级数增加之后，面积和功耗开销同样会加大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于减小流水线模数转换器的面积开销和功耗。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种流水线模数转换方法，采用t个流水级进行模数转换，t≥2，其中，第i级流水级进行模数转换包括三个步骤，1≤i≤t，

步骤1，流水级的采样阶段，流水级进行采样，如果i＝1，流水级是第1级流水级，按步骤1.1执行，如果1＜i≤t，流水级按步骤1.2执行；

步骤1.1，待转换的模拟信号输入第1级流水级，第1级流水级的数模转换器的输入信号为零，输出信号也为零，待转换的模拟信号与第1级流水级的数模转换器的输出信号之差，即待转换的模拟信号，送入第1级流水级的模数转换器进行采样，采样完成执行步骤2；

步骤1.2：第i级流水级执行步骤1时，第i-1级流水级执行步骤3，第i-1级流水级的量化残差经第i-1级流水级的放大器放大得到的模拟信号输入第i级流水级，同时第i-1级流水级的模数转换器对第i-1级量化残差进行额外一次量化，额外一次量化得到的m比特的量化结果送入第i级流水级的数模转换器，产生m比特量化结果输入时的模拟输出信号，记为第i级流水级的数模转换器第一模拟输出信号，第i级流水级将第i-1级量化残差与第i级流水级的数模转换器第一模拟输出信号之差输入第i级流水级的模数转换器进行采样，采样完成后执行步骤2；

步骤2，流水级的量化阶段，流水级进行量化，如果i＝1，流水级是第1级流水级，按步骤2.1执行，如果1＜i≤t，流水级按照步骤2.2执行；

步骤2.1，第1级流水级的模数转换器对待转换的模拟信号进行量化，得到n比特量化结果送入第1级流水级的数模转换器，第1级流水级的数模转换器将第1级流水级的模数转换器输入的n比特量化结果进行数模转换，输出n比特输入时的模拟输出信号，量化完成后执行步骤3；

步骤2.2，在第i级流水级执行步骤2时，第i-1级流水级执行步骤1，第i级模数转换器对输入的模拟信号进行量化，得到n比特量化结果送入第i级数模转换器，第i级数模转换器将第i级模数转换器输入的n比特量化结果和第i-1级流水级输入的m比特量化结果一起进行数模转换，输出n+m比特输入时的模拟输出信号，记为第i级数模转换器第二模拟输出信号，量化完成后执行步骤3；

步骤3，流水级的放大和额外量化阶段，流水级进行放大和额外量化，如果i＝1，流水级是第1级流水级，流水级按照步骤3.1执行，如果2＜i<t，流水级按照步骤3.2执行，如果i＝t，流水级是最后一级流水级，流水级按步骤3.3执行；

步骤3.1，待转换的模拟信号与第1级流水级的数模转换器输出的n比特输入时的模拟输出信号之差为第1级流水级的量化残差，第1级流水级的量化残差经第1级流水级的放大器放大后输入到第2级流水级，同时第1级流水级的模数转换器对第1级流水级的量化残差进行额外一次量化，得到的m比特量化结果送入第2级流水级的数模转换器，步骤2.1和步骤3.1中两次量化得到了第1级流水级的n+m比特量化结果；

步骤3.2，第i-1级流水级的量化残差与第i级流水级的数模转换器输出的第二模拟输出信号之差为第i级流水级的量化残差，第i级流水级量化残差经第i级流水级的放大器放大后输入到第i+1流水级，同时第i级流水级的模数转换器对第i级流水级的量化残差进行额外一次量化，得到的m比特量化结果送入第i+1级流水级的数模转换器，步骤2.2和步骤3.2中两次量化得到了第i级流水级的n+m比特量化结果；

步骤3.3，第t-1级流水级的量化残差与第t级流水级的数模转换器输出的第二模拟输出信号之差为第t级流水级的量化残差，第t级流水级的模数转换器对第t级流水级的量化残差进行额外一次量化，得到的m比特量化结果，步骤2.2和步骤3.3中两次量化得到了第t级流水级的n+m比特量化结果；其中，1≤n，1≤m，m≤n。

本发明还提供了一种实现权上述方法的流水线模数转换器，包括t个流水级，t≥2，t个流水级通过级联方式耦合，第i级流水级包括模数转换器、数模转换器和减法器，1≤i≤t，其中，

当i＝1，即在第1级流水级中，待转换的模拟信号从第1级流水级的输入端输入，第1级流水级的输入端连接第1级流水级减法器正输入端，第1级流水级减法器的输出端分别连接第1级流水级放大器的输入端和第1级流水级模数转换器的输入端，第1级流水级模数转换器的第一输出端连接第1级流水级数模转换器的第一输入端，第1级流水级模数转换器的第二输出端连接第2级流水级的数模转换器的第二输入端，第1级流水级数模转换器的输出端连接第1级流水级减法器的负输入端；第1级流水级放大器的输出端连接第2级流水级的输入端；第1级流水级模数转换器的第一输出端输出量化阶段的n比特量化结果，第1级流水级模数转换器的第二输出端输出放大和额外量化阶段的m比特量化结果，两次量化得到了第1级流水级的n+m比特量化结果；

当1＜i＜t时，在第i级流水级中，第i-1流水级放大器的输出端连接第i级流水级的输入端，第i级流水级的输入端连接第i级流水级减法器的正输入端，第i级流水级减法器的输出端分别连接第i级流水级放大器的输入端和第i级流水级模数转换器的输入端，第i级流水级模数转换器的第一输出端连接第i级流水级数模转换器的第一输入端，第i级流水级模数转换器的第二输出端连接第i+1级流水级数模转换器的第二输入端，第i级流水级数模转换器的输出端连接第i级流水级减法器的负输入端；第i级流水级放大器的输出端连接第i+1级流水级的输入端；第i级模数转换器的第一输出端输出量化阶段的n比特量化结果，第i级模数转换器的第二输出端输出放大和额外量化阶段m比特的量化结果，两次量化得到了第i级流水级的n+m比特量化结果；

当i＝t，在第t级流水级中，第t-1级流水级放大器的输出端连接第t级流水级的输入端，第t级流水级的输入端连接第t级流水级减法器的正输入端，第t级流水级减法器的输出端连接第t级流水级模数转换器的输入端，第t级流水级模数转换器的第一输出端连接第t级流水级数模转换器的第一输入端，第t级流水级模数转换器还包括第二输出端，第t级流水级数模转换器的输出端连接第t级流水级减法器的负输入端；第t级流水级模数转换器的第一输出端输出量化阶段的n比特量化结果，第t级流水级模数转换器的第二输出端输出放大和额外量化阶段的m比特的量结果，两次量化得到了第t级流水级的n+m比特量化结果；其中，1≤n，1≤m，m≤n。

有益效果

本发明利用流水线模数转换器(pipelinedadc)的放大时间进行额外量化，在不增加流水线模数转换器(pipelinedadc)级数的前提下减少了每一级adc的位数，从而大大减小了每级电路的规模，减少了功耗和面积的开销。

附图说明

图1是传统的流水线模数转换器的工作时序图；

图2是本发明流水线模数转换器的工作时序图；

图3是本发明流水线模数转换器的组成框图；

图4是采用传统工作时序的3位模数转换器；

图5是是采用本发明具体实施方式中的2位模数转换器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

传统的流水线模数转换器(pipelinedadc)的工作时序图如图1所示，主要分为采样、量化、放大三个阶段，在放大阶段，每个流水级的模数转换器(adc)仅对量化残差进行放大。

为达到本发明的发明目的，即：减少流水线模数转换器(pipelinedadc)的面积开销，降低流水线模数转换器(pipelinedadc)功耗。本发明的主要思想是改进pipelinedadc的工作模式，利用放大时间进行额外的量化。图2表示了本发明提出的流水线模数转换器(pipelinedadc)的工作时序图，主要分为采样、量化、放大和额外量化三个阶段。

参照图2、图3说明本发明流水线模数转换器及模数转换方法，每一级流水级包括模数转换器，数模转换器和减法器，如图所示，流水级200为第i级，第i-1级流水级100和第i+1级流水级300分别是流水级200的前一级和下一级，1≤i≤t，t≥2，t是流水级的个数。图中101、201和301是模数转换器，图中102、202和303是数模转换器，图中103、203和303是减法器，图中104、204和304是放大器，流水线模数转换器至少包括两级流水级，图中画出了前后三个流水级，并非限定本发明流水线模数转换器及模数转换方法至少包含三个流水级，而是为了说明流水级的工作过程。t＝2时，只有第1级和最后一级。

本发明的流水级进行模数转换包括三个步骤，其中，步骤1是流水级的采样阶段，步骤2是流水级的量化阶段，步骤3是流水级的放大和量化阶段，下面针对第i级流水级200进行详细说明：

步骤1，第i级流水级的采样阶段，此时第i-1级流水级处于放大和额外量化阶段，第i-1级流水级放大器104的放大量化残差(上角标2表示减法器输出是量化阶段的输出)作为第i级流水级的输入信号vini，信号vini送入第i级流水级减法器203的被减数端；在第i-1级流水级放大器104进行放大的同时，第i-1级流水级的模数转换器101会对量化残差进行额外一次量化，得到的m比特的量化结果mi-1送给第i级流水级数模转换器202，产生只有m比特输入时的输出信号vdacouti(mi-1)并送入第i级流水级减法器103的减数端,此时第i级流水级模数转换器201的模拟输入信号为(上角标1表示减法器输出是采样阶段的输出)；

步骤2，第i级流水级的量化阶段，第i-1级流水级处于采样阶段，第i级流水级的模数转换器201对模拟输入信号量化后得到n比特量化结果ni，并送入第i级流水级数模转换器202，加上第i-1级流水级的m比特输入mi-1，此时第i级流水级数模转换器202有n+m比特的输入，产生n+m比特输入时的输出vdacouti(ni+mi-1)，此时得到第i级流水级的量化残差

步骤3，第i级流水级的放大和额外量化阶段，第i级流水级放大器204会放大此时的量化残差产生第i+1级流水级的输入信号vini+1，同时第i级流水级的模数转换器201会对量化残差进行额外一次量化，得到的m比特量化结果mi送给第i+1级流水级数模转换器302，两次量化得到了第i级流水级n+m比特的量化结果，其中，1≤n，1≤m，m≤n。

此外，第1级流水级的输入信号是待模数转换的模拟输入信号，第1级流水级数模转换器不设置第二输入端，或者第1级流水级数模转换器设置有第二输入端，但所述第二输入端的输入信号为零。流水级如果是最后一级，流水级不对量化残差进行放大，或者放大的量化残差不进行输出，并且模数转换器的第二输出端不会向下一级流水级数模转换器输出。

图4给出了采用传统工作时序的3比特模数转换器，图5是采用本发明工作时序的2比特模数转换器。参见图3和图4，模数转换器采用比较器，数模转换器是3比特的数模转换器，图4表示的传统模数转换器3比特结构，使用3比特flash量化一次，得到3比特量化结果，需要7个比较器。图5中表示的本发明模数转换器的3比特结构，使用2比特flash量化两次，第一次在本级流水级的量化阶段量化2比特，第二次在本级流水级的放大和额外量化阶段再量化1比特，同样得到3比特量化结果，但是只需要3个比较器。

由此可见，本发明利用流水线模数转换器(pipelinedadc)的放大时间进行额外量化，在不增加流水线模数转换器(pipelinedadc)级数的前提下减少了每一级adc的位数，从而大大减小了每级电路的规模，减少了功耗和面积的开销。

以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。