模数转换器输入级的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及模数转换器领域，特别是用于这种转换器的输入级。
【背景技术】
[0002] A/D转换器（模数转换器）中，输入级通常是转换器中与噪声和线性相关的最关键 的部分。为了提高线性度，通常使用输入晶体管对的退化，但这同时增加了噪声。另一种解 决方案是使用输入级，该输入级具有到放大器的输入的反馈（如反相放大器），但需要输入 电阻，因此A/D转换器的输入阻抗将是限定的，但这是不希望出现的，特别是当A/D转换器 需要与传感器接口时是不希望出现的。而且，这种反馈增加了功率消耗。
[0003] 另外，在传感器应用中，通常需要信号处理路径在不同的通道之间提供足够的增 益匹配。例如，磁敏角度传感器的输出信号分别与待测角度的正弦和余弦成比例，可以通过 应用反正切函数以给角度一个磁场来处理这个比率。独立的信号处理路径中的失配引起的 正弦和余弦信号的振幅差异将引起角误差。因此，信号处理路径之间的增益匹配对于实现 良好性能是必要的。
[0004] 图1示出了EA模数转换器100的原理图，他通过过采样噪声整形实现高分辨 率。更具体地，转换器100包括加法器104,滤波器106,数字转换器108和反馈数模转换器 (DAC)114。在操作中，模拟输入信号102被作为一个输入提供給加法器104。加法器104的 输出被提供给滤波器106,滤波器106调整由其后的高速运转的量化器108引入的量化噪 声，量化器108提供数字输出信号110。数字输出信号110也被作为数字反馈信号112提供 到反馈D/A转换器114,反馈D/A转换器114发送产生的模拟反馈信号116作为加法器104 的第二输入，从而使滤波器106将任何误差（即模拟输入信号102与模拟反馈信号116之 间的差异）考虑在内。滤波器106可能是积分器级。转换器110的输出通过DA转换器114 转换成到模拟域。DA转换器114的输出与输入信号102比较并且将误差反馈到环中。转换 器100的关键部分是输入级，它决定了模拟输入信号的数字表示的误差。由输入级造成的 误差本身因此直接转化为输入信号的数字表示中的误差，这是不希望的。注意的是SAR(逐 渐近似）AD转换器具有类似的问题。已知技术的实施例使用独立转换输入信号和DA转换 器信号的跨导（gm)级。
[0005] 图2示出了已知的用于差分A/D转换器的输入级200。输入级200包括第一跨导 元件206,第二跨到元件210,积分电容器208和能提供+Vref与-Vref之间的输出信号值 的梯形电阻216 (形成反馈D/A转换器）。差分模拟输入信号被提供给第一跨导元件206的 输入202和204,第一跨导元件206产生第一电流，第一电流与两个输入信号之间的差异相 应。类似地，第二跨导元件210在它的输入212和214处接收来自D/A转换器216的模拟 反馈信号并且产生第二电流（与第一电流相反），第二电流与两个模拟反馈信号之间的差 异相应。所产生的电流，即，第一电流和第二电流，被在电容器208上积分求和并且提供所 产生的电容器208两端的电压Vout用于另外的滤波（例如更高阶的环路滤波器）或者在 转换器，例如图1所示的数字转换器108的量化级中进一步处理。换句话说，第一和第二跨 导元件206和210的输出电流在电流域中被减少，并且在电容器208上积分。再一次参考 图1，电容器208可能形成整个滤波器108或滤波器108的第一部分。这种实施的缺点是两 个跨导元件都必须转换全摆幅信号（输入信号或DA转换器输出信号），这需要更高的线性 级以避免失真。通常由跨导级的退化获得线性度，但很明显这会增加噪声（由于添加的电 阻），因此，需要增加功率已达到所需的噪声水平。
[0006] 因此可能需要一种用于A/D转换器的输入级，能够在较低的功率消耗水平提供高 线性度和低噪声，并且能够以简单和可靠的方法提供多个通道之间的增益匹配。
【发明内容】
[0007] 这种要求可能由根据独立权利要求的主题来满足。优选的实施例在从属权利要求 中提出。
[0008] 根据第一方面，提供了一种用于模数转换器的输入级，输入级包括（a)跨导元件， 适于在跨导元件的第一输入接收模拟输入信号，所述模拟输入信号将被模数转换器转换为 数字信号，（b)反馈路径，用于提供模拟反馈信号到跨导元件的第二输入，模拟反馈信号基 于模数转换器的数字输出信号，和（c)积分器，用于对跨导元件的输出电流进行积分，其中 积分元件适于产生表不经积分的输出电流的积分器输出信号。
[0009] 这个方面是基于以下思想：将模拟输入信号和模拟反馈信号提供给相同跨导元件 的各自的输入，跨导元件的输入信号的摆幅（即输入到跨导元件的信号之间的差异）被大 大减小。因此，对于跨导元件的线性要求也相应地减少，噪声的增加以及消耗功率的另外的 电阻器不是必须的。
[0010] 在本文中，术语"跨导元件"可能特别表示产生输出电流的电路元件，该输出电流 直接取决于跨导元件的第一和第二输入两端的电压差，即i=gmXv，其中gm是对于元件特 定的常数因子（跨导）。
[0011] 因此，跨导元件的输出电流代表输入到跨导元件的信号之间的差。换句话说，经积 分的输出电流表示到AD转换器的模拟输入信号和反馈路径提供的模拟反馈信号之间的差 的积分。因此，代表经积分的输出电流的积分器输出信号，可以衡量AD转换器的转换误差。
[0012] 假设AD转换器的转换误差相对小，可以知道输入到跨导元件的信号之间的差异 是相应的小。因此，根据这一方面的输入级即使没有高线性跨导元件也能够很好运作。
[0013] 根据一个实施例，输入级还包括（a)另外的跨导元件，适于在另外的跨导元件的 第一输入接收另外的模拟输入信号，和（b)另外的反馈路径，用于提供另外的模拟反馈信 号给另外的跨导元件的第二输入，该另外的模拟反馈信号是基于A/D转换器的数字输出信 号，其中（c)积分器适于对跨导元件的输出电流和另外的跨导元件的输出电流积分求和， 和其中积分器输出信号代表输出电流的积分之和。
[0014] 在这个实施例中，输入级包括另外的跨导元件，另外的跨导元件以与以上描述的 跨导元件类似的方式工作以产生电流，该电流基于另外的模拟输入信号和另外的模拟反馈 信号之间的差。另外的跨导元件产生的电流与跨导元件产生的电流通过积分器在一起求积 分。因此，积分器输出信号代表输出电流的积分之和。
[0015] 另外的跨导元件的跨导（gm)可能等于或不同于跨导元件的跨导。
[0016] 根据另一个实施例，模拟输入信号和另外的模拟输入信号是用于差分A/D转换器 的模拟输入信号。
[0017] 在本文中，术语"差分A/D转换器"是能够产生两个模拟输入信号之差的数字表示 的A/D转换器。
[0018] 注意另外的模拟输入信号和另外的模拟反馈信号具有相同的极性，即它们同相。 类似地，模拟输出信号与模拟反馈信号具有相同的极性（即相位）。然而，模拟输入信号与 另外的模拟输入信号的极性相反。
[0019] 根据另一个实施例，跨导元件的第一输入和另外的跨导元件的第一输入具有相反 的极性。
[0020] 因此，跨导元件的第二输入也与另外的跨导元件的第二输入具有相反的极性。
[0021] 因此，对于模拟输入信号的正的转换误差将正的值添加到输出电流的积分之和 上，对于另外的模拟输入信号的正的转化误差将负的贡献添加到输出电流的积分之和上。
[0022] 根据另一个实施例，输入级还包括布置在跨导元件的输出和积分器之间的斩波 器，斩波器可以反转跨导元件的输出的极性。
[0023] 在本文中，术语"斩波器"可能特别表示开关元件，该开关元件可以用第一输出端 和第二输出端以两种方式连接第一输入端和第二输入端，这取决于提供给斩波器的控制信 号：对于控制信号的一个值，斩波器用第一输出端连接第一输入端和用第二输出端连接第 二输入端，和对于控制信号的第二值，斩波器用第二输出端连接第一输入端和用第一输出 端连接第二输入端。
[0024] 通过操作斩波器反转跨导元件的输出电流的极性，输入级可能从操作的差模变为 操作的共模。
[0025] 或者，斩波器可能布置在另外的跨导元件和积分器之间。
[0026] 根据另一个实施例，积分器包括电容器，积分器输出信号是电容器两端的电压。
[0027] 应该注意的是，虽然上述方面和实施例是关于A/D转换器的描述，但是所描述的 输入级也可以用于其它包括反馈路径的电路结构，例如反馈放大器。另外，积分电容器的功 能，即提供环路增益，可能由电阻器实现。
[0028] 根据第二方面，提供一种A/D转换器，包括（a)根据第一方面或上述任一实施例的 输入级，（b)量化级，适于接收积分器输出信号和产生数字输出信号，和（c)反馈D/A转换 器，适于通过将数字输出信号转换为模拟信号来产生模拟反馈信号和将模拟反馈信号提供 给反馈路径。
[0029] 这一方面是基于和上述第一方面基本相同的思想。特别地，根据第二方面的A/D转换器是便宜的和易于制造的，并且可以在低噪声和低功率损耗下提供高精度的模拟到数 字的转换。另外，当以多通道实现时，如差分A/D转换器，可以以简单和节约成本的方式提 供通道之间的增益匹配。
[0030] 在本文中，术语"量化"可以特别指以下过程：选择多个离散（量化的）值作为代 表值用于给定的模拟信号水平。
[0031] 在本文中，术语"反馈D/A转换器"可以特别指布置为转换A/D转换器的数字输出 信号返回模拟信号的数模转换器，例如，在本领域中已知的EA模数转换器。
[0032] 根据一个实施例，A/D转换器还包括插入在输入级和量化级之间的滤波级。
[0033] 优选地，滤波级可能适于执行另外的滤波，例如噪声整形，到由积分器执行的滤 波。
[0034] 根据另一个实施例，反馈D/A转换器包括梯形电阻结构。
[0035] 优选地，梯形电阻结构被配置为在正的参考电压（+Vref)和负的参考电压 (-Vref)之间提供多个等量间距的离散的电压值。
[0036] 根据另一个实施例，斩波器可以通过反转跨导元件的输出的极性以在操作的差模 和操作的共模之间切换。
[0037] 在差模A/D转换器的情况下，这可能例如用于在启动时校准，在启动时，斩波器可 以切换系统到操作的共模，以及测量输入信号和相应的