一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器的制作方法

本发明涉及模数转换器领域，特别是一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器。

背景技术：

1、传统的单级逐次逼近模数转换器(sar adc)依赖电容式数模转换器(cdac)产生残余电压，并通过比较器对残余电压的极性进行判断，随着精度的提升，模数转换器的总电容呈现指数增长，残余电压也缩小到亚毫伏，分辨率受电容不匹配和比较器噪声的影响较大。为了实现更高精度的模数转换器，多级sar adc被提出。与单级结构不同，多级sar adc的精度主要受限于残差放大器(ra)的增益误差和失调电压。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，通过引入差异差分放大器作为残差放大器构成二级saradc架构，利用该架构通过一次性校准来消除失调电压，通过电阻网络形成负反馈来提供稳定的增益，能够实现更高的转换精度。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，包括依次连接的第一级子adc、差异差分放大器以及第二级子adc，所述第一级子adc以及第二级子adc均由电容阵列和比较器组成；还包括校准电路以及数字逻辑控制电路，所述校准电路用于一次性校准各个放大器和比较器的失调电压；所述数字逻辑控制电路用于控制两个子adc的工作时序；

3、所述差异差分放大器由跨导放大器gm1、跨导放大器gm2、电阻负载r以及比例电阻r1和r2组成，所述跨导放大器gm1，电阻负载r和跨导放大器gm2组成负反馈回路；其中，所述比例电阻r1和r2用于调节放大器的增益；

4、基于上述架构的具体工作步骤如下：

5、步骤ⅰ，开关s1闭合，信号电压被保存到第一级子adc的电容阵列中；

6、步骤ⅱ，开关s1断开，第一级子adc的电容阵列会依次进行翻转，电容阵列中存储的电荷会进行重新分配，跨导放大器gm1输入端的压差会逐渐减小；

7、步骤ⅲ，当第一级子adc电容阵列的最后一个对电容翻转完成后，开关s2闭合，第二级子adc电容阵列会存储残差放大器输出的电压；

8、步骤ⅳ，开关s2断开，第二级子adc的电容阵列会依次进行翻转，重新分配电荷，减小压差；

9、步骤ⅴ，整合第一级子adc电容阵列和第二级子adc电容阵列的翻转情况，输出最终量化后的信号。

10、进一步地，基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器的工作过程：首先通过第一级子adc粗略地将差分输入信号数字化并产生残余电压，再将残余电压由差异差分放大器放大，接着通过所述第二级子adc进一步数字化，最后将两个子adc的输出在输出电路中进行校正和组合，生成16位数字输出。

11、进一步地，所述差异差分放大器的具体工作过程如下：首先将由第一级子adc产生的残余电压经过跨导放大器gm1后变成电流信号iip，再将电流信号iip经过电阻负载r后输出电压信号vo；最后将vo经过比例电阻r1和r2的分压后，作为跨导放大器gm2的输入，输出iin来调节经过电阻负载的电流，从而调节输出电压vo。

12、进一步地，所述跨导放大器gm1和所述跨导放大器gm2的输出电流分别为：

13、iip＝gm1·(vip-+vin)

14、

15、其中，gm1和gm2分别代表跨导放大器gm1和跨导放大器gm2的跨导值。

16、进一步地，所述差异差分放大器的输出电压为：

17、vo＝r·(iip+iin)

18、进一步地，所述差异差分放大器的增益为：

19、

20、当1/gm1＝1/gm2<<r时，上式可化简为：

21、

22、通过调节r1和r2的电阻比例，来灵活调节放大器的增益。

23、有益效果：本发明的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，至少包括以下优点：

24、1.通过引入差异差分放大器作为残差放大器构成二级sar adc架构，有效减小增益误差，提升模数转换器的精度。

25、2.相较于传统的基于电容反馈的闭环放大器结构，面积更小，成本更低。

26、3.相较于基于电阻反馈的闭环放大器结构，无需增加缓冲级，不会造成电荷泄漏。

27、4.相较于基于开环gm-r放大器的结构，该方案性能更加稳定，能够实现更高的转换精度。

技术特征：

1.一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，包括依次连接的第一级子adc、差异差分放大器以及第二级子adc，所述第一级子adc以及第二级子adc均由电容阵列和比较器组成；还包括校准电路以及数字逻辑控制电路，所述校准电路用于一次性校准各个放大器和比较器的失调电压；所述数字逻辑控制电路用于控制两个子adc的工作时序；

2.根据权利要求1所述的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，其特征在于，基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器的工作过程：首先通过第一级子adc粗略地将差分输入信号数字化并产生残余电压，再将残余电压由差异差分放大器放大，接着通过所述第二级子adc进一步数字化，最后将两个子adc的输出在输出电路中进行校正和组合，生成16位数字输出。

3.根据权利要求2所述的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述差异差分放大器的具体工作过程如下：首先将由第一级子adc产生的残余电压经过跨导放大器gm1后变成电流信号iip，再将电流信号iip经过电阻负载r后输出电压信号vo；最后将vo经过比例电阻r1和r2的分压后，作为跨导放大器gm2的输入，输出iin来调节经过电阻负载的电流，从而调节输出电压vo。

4.根据权利要求3所述的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述跨导放大器gm1和所述跨导放大器gm2的输出电流分别为：

5.根据权利要求4所述的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述差异差分放大器的输出电压为：

6.根据权利要求5所述的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述差异差分放大器的增益为：

技术总结
本发明公开了一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，包括依次连接的第一级子ADC、差异差分放大器以及第二级子ADC，所述第一级子ADC以及第二级子ADC均由电容阵列和比较器组成；所述差异差分放大器由跨导放大器GM1、跨导放大器GM2、电阻负载R以及比例电阻R1和R2组成，所述跨导放大器GM1，电阻负载R和跨导放大器GM2组成负反馈回路；其中，所述比例电阻R1和R2用于调节放大器的增益。本申请通过引入差异差分放大器作为残差放大器构成二级SAR ADC架构，利用该架构通过一次性校准来消除失调电压，通过电阻网络形成负反馈来提供稳定的增益，能够实现更高的转换精度。

技术研发人员：胡伟波,石方敏,马伟,燕翔,杨尚争,王美玉
受保护的技术使用者：江苏谷泰微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13