模数转换器及减小其第一级积分单元中电容容值的方法与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种模数转换器及减小其第一级积分单元中电容容值的方法。


背景技术：

2.在图像传感器、螺旋ct扫描等应用场景中，往往需要有效位数大于16位、采样频率在100mhz～1000mhz之间的模数转换器(adc)。连续时间sigma-delta架构由于其具有对信号直接转换以及噪声整形功能，在速度以及精度上都能满足以上要求，使其成为实现该类模数转换器的最优选择。
3.然而，要实现大于16位的有效位数，该类模数转换器的过采样率一般需大于64，在几百兆的采样频率下，对应的信号带宽往往大于1mhz。在这种情况下，为满足大于16位的热噪声需求，连续时间架构中第一级积分器中电阻的阻值往往设置的非常小，这样就要求第一级积分器中电容的容值足够大，使其电阻与电容的乘积满足一定的传输函数关系。一般情况下，实现一个有效位数为16位，采样率为300mhz，信号带宽在1mhz左右的此类模数转换器，第一级积分器中电容的容值一般在几十到几百皮法之间。在ic设计中，这是一个非常大的电容，往往占用大量面积，同时该电容作为前级有源电路的负载，要求有源电路具有足够大的驱动能力，这同时会增大整个芯片的功耗。为此，在满足热噪声的前提下，需要有效降低其第一级积分器中电容的大小。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述传统技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三阶连续时间sigma-delta模数转换器的全新架构，用于解决上述技术问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种模数转换器，所述模数转换器为三阶连续时间sigma-delta模数转换器，包括依次串联的电流调节单元、第一级积分单元、第二级积分单元、第三级积分单元、环路延迟补偿单元、3位子模数转换单元及3-8温度计译码单元，且所述3-8温度计译码单元分别与所述第一级积分单元、所述第二级积分单元、所述第三级积分单元及所述环路延迟补偿单元连接，形成反馈环路；其中，所述电流调节单元，接收输入电压并将所述输入电压转换成第一电流，对所述第一电流进行减小处理，得到输入所述第一级积分单元的第二电流。
6.可选地，所述电流调节单元包括第一电阻、第一运算放大器、第一电流源、第二电流源、第一nmos管及第二nmos管；所述第一运算放大器的反相输入端接地，所述第一运算放大器的同相输入端经串接的所述第一电阻后接所述输入电压，所述第一运算放大器的输出端接所述第一nmos管的栅极，所述第一运算放大器的同相输入端还接所述第一nmos管的漏极，所述第一nmos管的漏极接所述第一电流源，所述第一nmos管的源极接地；所述第一运算放大器的输出端还接所述第二nmos管的栅极，所述第二nmos管的漏极接所述第二电流源，所述第二nmos管的源极接地。
7.可选地，所述第一电流是所述第二电流的n倍，n为大于等于2的正整数。
8.可选地，所述第一级积分单元包括第一数模转换器、第二运算放大器及第一电容；所述第二运算放大器的反相输入端接地，所述第二运算放大器的同相输入端接所述第二nmos管的漏极，所述第二运算放大器的同相输入端还经串接的所述第一电容后接所述第二运算放大器的输出端；所述第一数模转换器的输入端接所述3-8温度计译码单元的输出端，所述第一数模转换器的输出端接所述第二运算放大器的同相输入端。
9.可选地，所述第二级积分单元包括第二电阻、第二数模转换器、第三运算放大器及第二电容；所述第三运算放大器的反相输入端接地，所述第三运算放大器的同相输入端经串接的所述第二电阻后接所述第二运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的同相输入端还经串接的所述第二电容后接所述第三运算放大器的输出端；所述第二数模转换器的输入端接所述3-8温度计译码单元的输出端，所述第二数模转换器的输出端接所述第三运算放大器的同相输入端。
10.可选地，所述第三级积分单元包括第三电阻、第三数模转换器、第四运算放大器及第三电容；所述第四运算放大器的反相输入端接地，所述第四运算放大器的同相输入端经串接的所述第三电阻后接所述第三运算放大器的输出端，所述第四运算放大器的同相输入端还经串接的所述第三电容后接所述第四运算放大器的输出端；所述第三数模转换器的输入端接所述3-8温度计译码单元的输出端，所述第三数模转换器的输出端接所述第四运算放大器的同相输入端。
11.可选地，所述环路延迟补偿单元包括第四电阻及第四数模转换器；所述第四电阻的一端接所述第四运算放大器的输出端，所述第四电阻的另一端接所述3位子模数转换单元的输入端，所述3位子模数转换单元的输出端接所述3-8温度计译码单元的输入端，所述第四数模转换器的输入端接所述3-8温度计译码单元的输出端，所述第四数模转换器的输入端接所述3位子模数转换单元的输入端。
12.此外，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种减小模数转换器第一级积分单元中电容容值的方法，所述模数转换器为三阶连续时间sigma-delta模数转换器，所述减小模数转换器第一级积分单元中电容容值的方法包括步骤：
13.在输入电压与所述第一级积分单元的输入端之间增设电流调节单元；
14.通过所述电流调节单元，接收所述输入电压并将所述输入电压转换成第一电流，对所述第一电流进行减小处理，在所述第一级积分单元的输入端得到第二电流。
15.如上所述，本发明的模数转换器，具有以下有益效果：
16.在输入电压与第一级积分单元之间增设电流调节单元后，能有效将输入电压转换成电流并对电流进行减小处理，相较于直接对第一级积分单元接入输入电压，进入第一级积分单元的电流减小，在保持第一级积分单元输出不变的情况下，可使第一级积分单元中电容的容值相应地减小，利于第一级积分单元中电容及模数转换器的结构小型化设计，并降低了第一级积分单元及模数转换器的功耗。
附图说明
17.图1显示为一种三阶连续时间sigma-delta模数转换器的原理图。
18.图2显示为图1中第一级积分单元的原理图。
19.图3显示为本发明实施例中三阶连续时间sigma-delta模数转换器的原理图。
20.附图标记说明
21.dac1-第一数模转换器，dac2-第二数模转换器，dac3-第三数模转换器，dac4-第四数模转换器，ota0-第一运算放大器，ota1-第二运算放大器，ota2-第三运算放大器，ota3-第四运算放大器，adc0-子模数转换单元，t-温度计译码单元，c1-第一电容，c2-第二电容，c3-第三电容，d0、d1、d2-子模数转换单元adc0产生的二进制码字，r1-第一电阻，r2-第二电阻，r3-第三电阻，m1-第一nmos管，m2-第二nmos管，ib1-第一电流源，ib2-第二电流源，i
1-第一电流，i
2-第二电流，i
r1-流过第一电阻r1的电流，i
dac1-流过第一数模转换器dac1的电流，vin-输入电压，vout-第一级积分单元的输出电压。
具体实施方式
22.发明人研究发现：在图像传感器、螺旋ct扫描等应用场景中，往往需要用到连续时间sigma-delta模数转换器，但是为满足这些应用场景下大于16位的热噪声需求，连续时间sigma-delta模数转换器中第一级积分器中电阻的阻值往往设置的非常小，这样就要求第一级积分器中电容的容值足够大，使其电阻与电容的乘积满足一定的传输函数关系。较大容值的电容往往占用大量面积，同时该电容作为前级有源电路的负载，要求有源电路具有足够大的驱动能力，这会增大整个芯片的功耗。
23.因此，本发明提出一种连续时间sigma-delta模数转换器的全新技术方案：在输入电压与连续时间sigma-delta模数转换器的第一级积分单元之间增设一个电流调节单元，通过该电流调节单元对输入第一级积分单元的电流进行n倍减小处理，以相应地减小第一级积分单元中电容的容值。
24.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
25.请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所涵盖的范围内。
26.针对如图1所示的三阶连续时间sigma-delta模数转换器，其包括依次串联的第一级积分单元、第二级积分单元、第三级积分单元、环路延迟补偿单元、子模数转换单元adc0及温度计译码单元t，且温度计译码单元t分别与第一级积分单元、第二级积分单元、第三级积分单元及环路延迟补偿单元连接，形成反馈环路。
27.详细地，如图1及图2所示，第一级积分单元包括第一电阻r1、第一电容c1、第一数模转换器dac1以及第二运算放大器ota1，图中，i
r1
代表流过第一电阻r1的电流，i
c1
代表流
过第一电容c1的电流，i
dac1
代表流过第一数模转换器dac1的电流，vin代表输入电压(即第一级积分单元的输入电压或者整个三阶连续时间sigma-delta模数转换器的输入电压)，vout代表第一级积分单元的输出电压。由于第二运算放大器ota1输入端的虚地特性，使流过第一电容c1的电流可表示为：
28.i
c1
＝i
r1-i
dac1
ꢀꢀ
(1)
29.则第一电容c1可表示为：
[0030][0031]
而在连续时间sigma-delta模数转换器应用中，流过第一电阻r1的电流i
r1
与流过第一数模转换器dac1的电流i
dac1
之差为量化噪声i
δ
，所以式(2)可以转化为：
[0032][0033]
如果第一级积分单元的输入电流i
r1
(即流过第一电阻r1的电流)成比例减小，量化噪声i
δ
也会成比例减小，则第一电容c1的容值也相应地按比例减小，即可消除连续时间sigma-delta模数转换器在高精度中高速应用所面临的大电容问题。
[0034]
基于此原理，在如图1所示的三阶连续时间sigma-delta模数转换器的基础上，在输入电压vin与三阶连续时间sigma-delta模数转换器的第一级积分单元之间增设电流调节单元，通过该电流调节单元对输入第一级积分单元的电流进行n倍减小处理，以相应地减小第一级积分单元中电容的容值。
[0035]
详细地，如图3所示，本发明提供一种三阶连续时间sigma-delta模数转换器，其包括依次串联的电流调节单元、第一级积分单元、第二级积分单元、第三级积分单元、环路延迟补偿单元、子模数转换单元adc0及温度计译码单元t，且温度计译码单元t分别与第一级积分单元、第二级积分单元、第三级积分单元及环路延迟补偿单元连接，形成反馈环路；其中，电流调节单元，接收输入电压vin并将输入电压vin转换成第一电流i1，对第一电流i1进行减小处理，得到输入第一级积分单元的第二电流i2。
[0036]
更详细地，如图3所示，电流调节单元包括第一电阻r1、第一运算放大器ota0、第一电流源ib1、第二电流源ib2、第一nmos管m1及第二nmos管m2；第一运算放大器ota0的反相输入端接地，第一运算放大器ota0的同相输入端经串接的第一电阻r1后接输入电压vin，第一运算放大器ota0的输出端接第一nmos管m1的栅极，第一运算放大器ota0的同相输入端还接第一nmos管m1的漏极，第一nmos管m1的漏极接第一电流源ib1，第一nmos管m1的源极接地；第一运算放大器ota0的输出端还接第二nmos管m2的栅极，第二nmos管m2的漏极接第二电流源ib2，第二nmos管m2的源极接地。
[0037]
如图3所示，在该电流调节单元中，输入电压vin通过第一电阻r1和第一运算放大器ota0被转换成第一电流i1，并向后级由第一电流源ib1、第二电流源ib2、第一nmos管m1及第二nmos管m2构成的电流镜输出；同时，在后级的电流镜中，第一电流源ib1、第二电流源ib2、第一nmos管m1及第二nmos管m2按n/1的输入输出比例进行设计，使得第一电流i1与第二电流i2满足：
[0038]
[0039]
其中，n为大于等于2的正整数，且第一nmos管m1及第二nmos管m2工作在饱和区。则第一级积分单元中第一电容c1的容值会相应地减小n倍，对应的尺寸也会随之减小n倍，第一级积分单元中第二运算放大器ota1的功耗也会随之减小，最终能用较小的电容值实现高精度、中高速、低功耗的三阶连续时间sigma-delta模数转换器设计。
[0040]
更详细地，如图3所示，第一级积分单元包括第一数模转换器dac1、第二运算放大器ota1及第一电容c1；第二运算放大器ota1的反相输入端接地，第二运算放大器ota1的同相输入端接第二nmos管m2的漏极，以接收电流调节单元输出的第二电流i2，第二运算放大器ota1的同相输入端还经串接的第一电容c1后接第二运算放大器ota1的输出端；第一数模转换器dac1的输入端接温度计译码单元t的输出端，第一数模转换器dac1的输出端接第二运算放大器ota1的同相输入端。
[0041]
更详细地，如图3所示，第二级积分单元包括第二电阻r2、第二数模转换器dac2、第三运算放大器ota2及第二电容c2；第三运算放大器ota2的反相输入端接地，第三运算放大器ota2的同相输入端经串接的第二电阻r2后接第二运算放大器ota1的输出端，第三运算放大器ota2的同相输入端还经串接的第二电容c2后接第三运算放大器ota2的输出端；第二数模转换器dac2的输入端接温度计译码单元t的输出端，第二数模转换器dac2的输出端接第三运算放大器ota2的同相输入端。
[0042]
更详细地，如图3所示，第三级积分单元包括第三电阻r3、第三数模转换器dac3、第四运算放大器oat3及第三电容c3；第四运算放大器ota3的反相输入端接地，第四运算放大器ota3的同相输入端经串接的第三电阻r3后接第三运算放大器ota2的输出端，第四运算放大器ota3的同相输入端还经串接的第三电容c3后接第四运算放大器ota3的输出端；第三数模转换器dac3的输入端接温度计译码单元t的输出端，第三数模转换器dac3的输出端接第四运算放大器ota3的同相输入端。
[0043]
更详细地，如图3所示，环路延迟补偿单元包括第四电阻r4及第四数模转换器dac4；第四电阻r4的一端接第四运算放大器ota3的输出端，第四电阻r4的另一端接子模数转换单元adc0的输入端，子模数转换单元adc0的输出端接温度计译码单元t的输入端，第四数模转换器dac4的输入端接温度计译码单元t的输出端，第四数模转换器dac4的输入端接子模数转换单元adc0的输入端。
[0044]
其中，子模数转换单元adc0为3位子模数转换单元，其接收第三级积分单元经环路延迟补偿单元补偿后的输出，并产生3位二进制码字d0、d1及d2；温度计译码单元t为3-8温度计译码单元，其接收子模数转换单元adc0输出的3位二进制码字d0、d1及d2，并将其转化为8位的一进制码字，该8位一进制码字作为反馈环路中第一数模转换器dac1、第二数模转换器dac2、第三数模转换器dac3及第四数模转换器dac4的输入产生量化噪声，最终与对应的rc积分器构成一个闭环。
[0045]
此外，基于图3所示的三阶连续时间sigma-delta模数转换器的架构设计，本发明还提供一种减小三阶连续时间sigma-delta模数转换器第一级积分单元中电容容值的方法，包括步骤：
[0046]
s1、在输入电压vin与第一级积分单元的输入端(即第一运算放大器ota0的同相输入端)之间增设电流调节单元；
[0047]
s2、通过电流调节单元，先接收输入电压vin并将其转换成第一电流i1，后对第一
电流i1进行减小处理，在第一级积分单元的输入端得到第二电流i2。
[0048]
如图3所示，本发明实施例是针对三阶连续时间sigma-delta模数转换器的架构设计所做的改进；可以理解的是，与此类似的，在本发明的其他实施例中，还可以针对二阶、四阶、五阶等连续时间sigma-delta模数转换器做同样的结构改进，在此不再赘述。
[0049]
综上所述，在本发明提供的三阶连续时间sigma-delta模数转换器及减小其第一级积分单元中电容容值的方法中，在输入电压与第一级积分单元之间增设有电流调节单元，通过该电流调节单元能有效将输入电压转换成电流并对电流进行减小处理，相较于直接对第一级积分单元接入输入电压，进入第一级积分单元的电流减小，在保持第一级积分单元输出不变的情况下，可使第一级积分单元中电容的容值相应地减小，利于第一级积分单元中电容及模数转换器的结构小型化设计，并降低了第一级积分单元及整个模数转换器的功耗。
[0050]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。