一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模拟电路和混合信号电路领域，特别是涉及一种基于电荷泵和压控振 荡器的过采样模数转换器。
【背景技术】
[0002] 在无线通信前端电路中，模数转换器（ADC)是一个重要的模块，它负责把射频前 端电路输出的模拟信号转换成数字信号传递给后面的数字后端进行信号处理。衡量模数转 换器的指标主要有带宽（速度）、精度和功耗。过采样模数转换器是模数转换器中一种重要 的结构，由环路滤波器、量化器和反馈数模转换器构成，近年来其应用已经从开始的音频领 域扩展到通信领域。连续时间过采样模数转换器和其他类型模数转换器相比具有内生的抗 混叠滤波功能，可以降低前端滤波器功耗。过采样模数转换器的带宽由采样速率（Fs)和过 采样率（over-samplingratio,OSR)共同确定；过采样模数转换器的精度由过采样率OSR、 量化比特数B和噪声整形阶数L共同决定。
[0003] 由于价格优势和便于大规模集成，现代集成电路（1C)主要由互补金属氧化物半 导体（CMOS)工艺实现。CMOS工艺的一个重要特征就是其工艺节点在不断更新。在这个工 艺特征尺寸缩减过程中，数字电路可以达到更高的工作频率（速度）和更低的功耗。为了 减小面积和降低成本，现代通信芯片普遍采用片上系统（SoC)方案。在SoC中，模数转换器 等模拟和混合信号电路需要和大量的数字电路、存储器生产在同一个晶片上。这使得其中 的模数转换器面临着以下问题：第一，电路中信号可以利用的电压空间越来越小，信号幅 度越来越小，开关电容电路中开关的导通电阻和其非线性都会增大。第二，放大器的本征 增益会减小，而且很多提升放大器增益的技术受电源电压的限制不能应用到放大器的设计 中。
[0004] 为了解决上述模数转换器设计面临的问题，同时也为了利用工艺更新降低模数转 换器功耗，近年来流行的趋势是把量化器和模数转换器的功能实现分别从电压域和模拟域 转到时间域和数字域，一种技术是采用基于压控振荡器（VC0)的量化器。基于压控振荡器 的量化器能够提供额外的一阶噪声整形，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性， 但是压控振荡器中电压-频率传输函数的非线性是限制其性能的瓶颈。由于基于压控振荡 器的量化器只能提供一阶噪声整形，为了实现二阶以上噪声整形的过采样模数转换器，还 需要引入模拟积分器和反馈数模转换器（DAC)形成反馈环路。其中的模拟积分器，尤其是 前端的模拟积分器是限制过采样模数转换器精度和速度的主要瓶颈，并且消耗了过采样模 数转换器大部分的功耗。如何在二阶以上过采样模数转换器中消除模拟积分器是达到低功 耗设计的关键和难点所在。
[0005] 美国麻省理工学院的研宄团队提出了不需要计数器的基于压控振荡器的量化器 并且把它应用到一个三阶5bit量化的连续时间闭环过采样模数转换器中。压控振荡器的 非线性被过采样模数转换器中的模拟环路滤波器抑制。该量化器的输出具有内生的动态 元件匹配特性，这使得反馈数模转换器的匹配要求大幅度下降。现在电荷泵在模数转换器 中的应用主要集中在流水线型模数转换器设计上，其中电荷泵用来替代高功耗的运算放大 器。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于电荷泵和压控振荡器 的过采样模数转换器，以简单的、低功耗的结构代替结构复杂、高功耗的模拟积分器，并能 获得较好的精度。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，包括：
[0009] 第一异步脉宽调制器和电荷泵，用于作为可以直接处理模拟信号的一阶低通滤波 器，其中所述第一异步脉宽调制器将模拟输入信号转换成只有两个电平可以直接驱动所述 电荷泵的脉冲信号，信息存储在所述脉冲信号的脉宽上；
[0010] 第二异步脉宽调制器和基于压控振荡器的量化器，用于形成一个线性的、带有一 阶噪声整形功能的量化器，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性；
[0011] 数模转换器，用于将过采样模数转换器的数字输出转换回模拟信号；
[0012] 其中所述第一异步脉宽调制器、所述电荷泵、所述第二异步脉宽调制器、所述基于 压控振荡器的量化器依次连接在前向通道上，所述数模转换器连接在反馈通道上，所述数 模转换器转换的模拟信号与第一异步脉宽调制器输出信号、电荷泵输出信号分别相减得到 的误差信号送至所述电荷泵和所述第二异步脉宽调制器，形成闭环系统。
[0013] 进一步地：
[0014] 可以通过配置第一异步脉宽调制器、电荷泵和数模转换器的数量从而构成为三阶 以上的过采样模数转换器。
[0015] 所述电荷泵为差分结构，优选为全差分结构，以避免第一异步脉宽调制器的非理 想因素对电荷泵自身电路滤波效果的影响。
[0016] 所述第一、第二异步脉宽调制器各包括依次相连的带一阶无源低通滤波器的反馈 回路、施密特触发器以及数字延时门电路。
[0017] 通过调整所述第一异步脉宽调制器的反馈深度即输入信号幅度和反馈支路参考 幅度的比值，和自振荡频率与输入信号带宽的比值，来降低所述第一异步脉宽调制器的三 阶失调。
[0018] 所述电荷泵和所述数模转换器设置成共用一个积分电容。
[0019] 所述基于压控振荡器的量化器通过其压控振荡器将模拟电压信号转换为相位或 频率信号，然后再通过数字电路处理所述相位或频率信号，以将所要的数字信号恢复出来。
[0020] 所述压控振荡器在频域的模型与一阶积分器类似，基于压控振荡器的量化器相当 于一阶开环过采样模数转换器。
[0021] 所述第二异步脉宽调制器产生只有两个电平的脉宽调制信号，使所述压控振荡器 只运行在两个频率点上。
[0022] 调整过采样模数转换器的噪声传递函数和延时补偿，以消除环路延时并维持过采 样模数转换器的稳定性和性能。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 本发明的基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器在闭环二阶以上过采样 模数转换器的设计中用结构简单、低功耗的电荷泵2替代结构复杂、高功耗的模拟积分器。 而且，电荷泵是高度数字化的模块，没有放大器等纯模拟电路，能够充分利用CMOS工艺节 点更新给数字电路带来的好处，达到较高的转换速度和较低的功耗；同时，还可以避免工艺 节点更新给模拟电路带来的电压空间和放大器增益等挑战。为了让电荷泵能够处理模拟输 入信号，本发明在电荷泵的前端加入一个异步脉宽调制器，异步脉宽调制器将模拟输入信 号转换成只有两个电平、可以直接驱动电荷泵的脉冲信号。由于异步脉宽调制器不在模数 转换器的反馈环路里面，异步脉宽调制器产生的延时并不会对过采样模数转换器的稳定性 和性能产生影响。另一方面，本发明实现环路中基于压控振荡器的量化器的线性化，通过基 于压控振荡器的量化器，不仅能够完成量化的功能，还能提供一阶量化噪声整形，且器件能 够充分利用工艺节点更新带来的好处，达到较高的带宽和较低的功耗，同时避免了模拟电 路在深亚微米工艺下的设计难点。本发明在基于压控振荡器的量化器前端加入第二异步脉 宽调制器，使压控振荡器只在两个频率点上运转，有效克服非线性问题，提高了过采样模数 转换器的精度。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例基于电荷泵和压控振荡器的模数转换装置的结构原理图；
[0026] 图2为本发明中的异步脉宽调制器的电路原理图；
[0027] 图3为本发明中的电荷泵和反馈数模转换器的实现电路。
【具体实施方式】
[0028] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的， 而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0029] 参阅图1，在一种实施例中，基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器包括： 第一异步脉宽调制器1和电荷泵2,作为可以直接处理模拟信号的一阶低通滤波器；第二异 步脉宽调制器3和基于压控振荡器的量化器4,形成一个线性的、带有一阶噪声整形功能的 量化器，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性；数模转换器5,负责将过采样模数 转换器的数字输出转换回模拟信号，并与第一异步脉宽调制器1输出信号、电荷泵输出信 号相减得到误差信号。由于量化器输出具有内生的动态元件匹配特性，数模转换器5的元 件失配不会成为过采样模数转换器的性能瓶颈。
[0030] 图1所示基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器仅仅是一个二阶噪声整 形的例子，该结构可以通过增加第一异步脉宽调制器、电荷泵和数模转换器的数量而扩展 为三阶或者四阶过采样模数转换器。