防混疊采樣電路及模數轉換器制造技術

本發明專利技術提供了防混疊采樣電路及模數轉換器。諸如逐次逼近模數轉換器（ADC）的采樣電路的采樣電路提供對采樣的輸入信號的防混疊濾波。該電路利用多個電容器采樣輸入信號，其中每個電容器在采樣時間間隔期間的不同時間對輸入信號進行采樣。該電路在轉換時間間隔期間將存儲在不同電容器上的樣本組合起來，并使用組合的樣本生成數字輸出信號。在一個示例中，使用存儲在第一電容器上的樣本生成輸出信號的第一位，并使用存儲在第二電容器上的樣本生成輸出信號的第二位。在另一示例中，電路模塊對輸入信號執行有限或無限脈沖響應（FIR或IIR）濾波，其中通過用于采樣的電容器的相對大小來確定濾波器特性。

Anti aliasing sampling circuit and analog to digital converter

The invention provides an anti aliasing sampling circuit and an analog-to-digital converter. A sampling circuit of a sampling circuit such as a successive approximation analog-to-digital converter (ADC) provides anti aliasing filtering of an input signal sampled. The circuit uses a plurality of capacitors to sample input signals, wherein each capacitor samples the input signal at different times during the sampling interval. The circuit combines samples stored on different capacitors during the conversion time interval and generates a digital output signal using a combined sample. In one example, a first bit of an output signal is generated using a sample stored on the first capacitor, and a second bit of an output signal is generated using a sample stored on the second capacitor. In another example, the circuit module performs a limited or infinite impulse response (FIR or IIR) filtering to the input signal, wherein the filter characteristics are determined by the relative size of the capacitor used for sampling.

【技術實現步驟摘要】
防混疊采樣電路及模數轉換器
本專利技術的主題涉及用于提高采樣電路（諸如形成模數轉換器的一部分的采樣電路）的精度和降低采樣電路的噪聲敏感度的技術及設備。
技術介紹
諸如模數轉換器（ADC）的采樣電路將連續時間信號轉換成由離散信號樣本的序列形成的離散時間信號。在ADC的情況下，每個離散信號樣本均被進一步數字化為代表離散信號樣本值的二進制串以形成數字輸出信號。采樣電路通常使用電容器（或其他電荷存儲器件）在給定的瞬間時刻對連續時間輸入信號值進行采樣。采樣電路將采樣的信號值傳送至轉換電路，或者使用存儲在電容器上的采樣信號值。采樣電路以確定的采樣率fs工作，每1/fs秒對連續時間輸入信號采一個樣本。采樣率依賴于具體應用，其指定了對輸入信號進行采樣以轉換為數字字的頻率。為了對連續時間信號進行采樣和避免混疊，采樣頻率fs必須至少是連續時間信號的最高頻率的兩倍。如果采樣頻率fs不是連續時間信號的最高頻率的兩倍，則根據奈奎斯特采樣定理，進入后采樣帶寬的輸入信號的高頻分量會出現混疊或折疊。這些折疊效應將噪聲和錯誤引入采樣信號，因此必須解決以避免帶內出現不期望的信號和噪聲。圖1示出正在對輸入信號Vin進行采樣的ADC103。期望將Vin轉換為0和fs/2之間的頻率。不過在fs/2以上的區域A，可以是隨機（噪聲）或確定性信號的輸入信號在0和fs/2之間折疊。于是，頻率為fs的輸入信號分量將折疊回來并呈現為DC信號。隨著頻率增加至區域B（超出區域A），輸入信號的能量折疊回來并向前跨越0至fs/2的輸出帶寬。圖2示出了一種減小混疊效應的方法。低通濾波器201接收輸入信號200，并根據過渡（transition）和阻帶衰減206將要被混疊的頻率分量過濾或衰減掉，然后將此頻帶限制信號給至ADC203的輸入端202。因為輸入信號在區域210的能量減少，于是將被折疊成數字輸出的能量得以降低，從而提供了較低的混疊噪聲和改進的性能。然而，難以在ADC203之前對過濾器提供陡峭截止。如果使用有源濾波器在通帶和阻帶之間進行快速過渡，則有源濾波器會引入額外噪聲并且有源濾波器需要額外的電流，從而有源濾波器的輸出必須能夠驅動ADC203的輸入。圖3示出另一種用于解決輸入信號的混疊效應的方法。在圖3中，ADC301以采樣率fshf對輸入信號300進行采樣，采樣率fshf基本上高于目標帶寬309（fshf>>fs)。高于目標帶寬但處在帶寬308以內的信號都被ADC精確采樣，并作為數字信號給至輸出端302。數字輸出302被數字濾波器303（具有濾波器特性310）濾波，并給至輸出端304。在一個示例中，濾波器303是下采樣的抽取濾波器。根據該方法，通過將ADC采樣率增加至超過將轉換成目標帶寬中的信號所需的采樣率來避免混疊。隨后使用數字濾波器303去除帶外信號。可以在ADC301的前端使用具有低通特性306的模擬防混疊濾波器，以進一步防止混疊。通過使目標帶寬遠離混疊開始出現的點，能夠極大地簡化模擬防混疊濾波器的設計，并且能夠在數字域中執行濾除頻帶信號的信號處理，從而實現更加陡峭、穩定的濾波器特性。不過，考慮到增加的計算功率，對針對輸入信號進行過采樣的更快的ADC的需求會浪費較多的功率。由此存在著對于采樣連續時間信號的具能量效率的電路和方法的需求，這些電路和方法具有低噪聲敏感度、低混疊敏感度、以較低的功耗以及能夠以高采樣率工作。
技術實現思路
本專利技術能夠減輕上述包括在形成模數轉換器的一部分的采樣電路中的由噪聲敏感度導致的采樣電路中的上述問題以及由高頻信號導致的混疊中的一個或多個。在第一示例中，第一電容器用于在采樣時間間隔期間的第一時間對模擬輸入信號進行采樣。第二電容器用于在采樣時間間隔期間的第二時間對模擬輸入信號進行采樣，其中第二時間不同于第一時間。電路將存儲在所述第一電容器和第二電容器中的樣本組合起來，并在不同于采樣時間間隔的轉換時間間隔期間使用該組合的樣本生成數字輸出信號。第一電容器可以由兩個以上的子電容器形成，所述電路可操作來將所述電容器和/或子電容器的連接方式從采樣時間間隔期間的第一構造調節為轉換時間間隔期間的第二構造，以使用存儲在第一電容器的第一和第二子電容器中的樣本分別生成數字輸出信號的第一位和第二位。轉換時間間隔的第二構造可以將電容器連接成第一和第二組電容器，其中所述第一組電容器的電容值是所述第二組電容器的二倍。可操作來生成數字輸出信號的所述電路可以形成逐次逼近模數轉換器、采樣保持電路或流水線模數轉換器的一部分。一種方法可以包括：通過第一電容器在采樣時間間隔期間的第一時間對模擬輸入信號進行采樣；通過第二電容器在采樣時間間隔期間的第二時間對模擬輸入信號進行采樣，其中所述第二時間不同于第一時間；將第一時間和第二時間得到的樣本組合起來；在不同于采樣時間間隔的轉換時間間隔使用該組合的樣本生成數字輸出信號。在第二示例中，一種方法包括選擇電容器陣列中的第一組電容器和第二組電容器，其中所述第一組電容器與第二組電容器的電容值之比對應于期望的防混疊濾波器響應的抽頭系數之間的比值。在采樣時間間隔期間的不同的第一和第二時間分別使用第一組電容器和第二組電容器對模擬輸入信號進行采樣，以獲得模擬輸入信號的第一樣本和第二樣本。對第一組電容器與第二組電容器進行重新構造以形成與所述第一組電容器與第二組電容器不同的第三組電容器與第四組電容器。基于存儲在所述第三組電容器和第四組電容器中的電荷來輸出數字輸出信號，其中數字輸出信號包括基于存儲在所述第三組電容器中的電容器上的電荷轉換的第一位以及基于存儲在所述第四組電容器中的電容器上的電荷轉換的第二位。該方法可以使用包括多個電容器的電容器陣列以及用于選擇性地將陣列電容器耦接在一起以形成各組電容器的選擇電路；用于將存儲在一組電容器上的平均電荷值轉換成數字輸出信號的一位值的轉換器；以及用于控制所述電容器陣列與所述轉換器的操作的控制器。選擇第一和第二組電容器以及對模擬輸入信號進行采樣的步驟可以包括：針對所選擇的第一組電容器與第二組電容器中的每一組，順次執行如下步驟；(i)針對所選擇的電容器組中的每個電容器，順次執行在保持數據線未激活的同時，激活與陣列中的電容器的行和列相對應的行選擇線與列選擇線的步驟；以及(ii)在激活所選擇的組中的每個電容器的行選擇線與列選擇線之后，將模擬輸入信號施加至信號線以對所選擇的組的電容器上的模擬輸入信號進行采樣。其他的優點和新穎特征將部分地在下面的說明中闡述，并且部分在查看附圖后對本領域技術人員變得顯而易見，或者可以通過實例的生產或操作來了解。本專利技術的優點可以通過實施或使用下面詳細實例中給出的方法、設備或其組合的各個方面來實現和獲得。附圖說明附圖示出了根據本專利技術的一個或多個實施方式，僅為示例而非限制。附圖中相同的參考標號表示相同或相似的元件。圖1示出了經受高頻混疊的示例性模數轉換器（ADC）電路以及ADC電路的頻率響應。圖2示出了包括模數轉換器（ADC）以及預轉換低通濾波器的示例電路，以及具有降低了高頻混疊的電路的頻率響應。圖3示出了包括高頻模數轉換器（ADC）和后轉換低通濾波器的示例電路，以及具有降低了高頻混疊的電路的頻率響應。圖4A-圖4C示出了示例性的具有用于對輸入信號進行同時采樣的一組電容器的逐次本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種防混疊采樣及模數轉換電路，包括：第一電容器，用于在采樣時間間隔期間的第一時間對模擬輸入信號進行采樣；第二電容器，用于在采樣時間間隔期間的第二時間對模擬輸入信號進行采樣，其中第二時間不同于第一時間；電路模塊，其將存儲在所述第一電容器和所述第二電容器中的樣本組合起來產生組合樣本，并在不同于采樣時間間隔的轉換時間間隔期間使用該組合樣本生成數字輸出信號。

【技術特征摘要】
2012.12.17 US 13/717,3771.一種防混疊采樣及模數轉換電路，包括：第一電容器，用于在采樣時間間隔期間的第一時間對模擬輸入信號進行采樣；第二電容器，用于在采樣時間間隔期間的第二時間對模擬輸入信號進行采樣，其中第二時間不同于第一時間；電路模塊，其將存儲在所述第一電容器和所述第二電容器中的樣本組合起來產生組合樣本，并在不同于采樣時間間隔的轉換時間間隔期間使用該組合樣本生成數字輸出信號。2.如權利要求1所述的電路，其中所述電路模塊用于通過以使得所述第一電容器和第二電容器共享電荷的方式連接所述第一電容器和第二電容器來組合樣本。3.如權利要求1所述的電路，其中：所述第一電容器由兩個或更多的子電容器形成；其中所述電路模塊用于將所述兩個或更多的子電容器的連接方式從采樣時間間隔期間的第一構造調節為轉換時間間隔期間的第二構造，以使用存儲在所述第一電容器的第一子電容器中的組合樣本生成所述數字輸出信號的第一位，并使用存儲在所述第一電容器的第二子電容器中的組合樣本生成所述數字輸出信號的第二位。4.如權利要求3所述的電路，其中在轉換時間間隔期間的第二構造將所述第一電容器和所述第二電容器和/或所述第一子電容器和所述第二子電容器連接成第一組電容器和第二組電容器及第一組子電容器和第二組子電容器，其中所述第一組電容器的電容值是所述第二組電容器的電容值的二倍。5.如權利要求1所述的電路，其中所述第一電容器和所述第二電容器以及用于生成數字輸出信號的電路模塊構成逐次逼近模數轉換器的一部分，所述逐次逼近模數轉換器構造為至少部分地基于存儲在所述第一電容器和所述第二電容器上的電荷組合來生成所述數字輸出信號的第一位。6.如權利要求1所述的電路，其中所述第一電容器和所述第二電容器以及用于生成數字輸出信號的電路模塊構成流水線模數轉換器的一部分，所述流水線模數轉換器構造為至少部分地基于存儲在所述第一電容器和所述第二電容器上的電荷組合來生成所述數字輸出信號的第一位。7.如權利要求1所述的電路，其中所述電路模塊用于執行模數轉換操作，以通過對所述第一電容器和所述第二電容器在采樣時間間隔期間采樣和存儲的電荷進行操作來生成所述數字輸出信號。8.如權利要求7所述的電路，其中所述電路模塊用于至少部分地基于所述第一電容器上的樣本來執行第一模數轉換操作以生成所述數字輸出信號的第一位，并且至少部分地基于所述第二電容器上的樣本執行第二模數轉換操作以生成所述數字輸出信號的第二位。9.如權利要求1所述的電路，還包括：第三電容器，用于在采樣時間間隔期間的第三時間對模擬輸入信號進行采樣，其中所述第三時間不同于所述第一時間和所述第二時間；其中所述電路模塊用于組合所述第一電容器、所述第二電容器和所述第三電容器上的樣本，并使用組合的樣本在轉換時間間隔期間生成所述數字輸出信號，并且其中所述第一時間、所述第二時間和所述第三時間在所述采樣時間間隔期間在時間上均勻間隔開。10.如權利要求1所述的電路，其中所述電路模塊用于對模擬輸入信號執行有限脈沖響應濾波操作來作為生成所述數字輸出信號的一部分，并且其中所述有限脈沖響應濾波操作的濾波器特性至少部分通過所述第一電容器和所述第二電容器的相對大小來確定。11.一種防混疊采樣及模數轉換方法，包括：通過第一電容器在采樣時間間隔期間的第一時間對模擬輸入信號進行采樣；通過第二電容器在采樣時間間隔期間的第二時間對模擬輸入信號進行采樣，其中所述第二時間不同于所述第一時間；將在所述第一時間和所述第二時間得到的樣本組合起來產生組合樣本；和在不同于所述采樣時間間隔的轉換時間間隔期間使用該組合樣本生成數字輸出信號。12.如權利要求11所述的方法，其中：所述第一電容器由兩個或更多的子電容器形成；所述組合包括將所述兩個或更多的子電容器的連接方式從采樣時間間隔期間的第一構造調節為轉換時間間隔期間的第二構造，以對樣本進行組合；并且所述生成包括使用存儲在所述第一電容器的第一子電容器中的組合樣本生成所述數字輸出信號的第一位，并使用存儲在所述第一電容器的第二子電容器中的組合樣本生成所述數字輸出信號的第二位。13.如權利要求12所述的方法，其中在轉換時間間隔期間的第二構造將所述第一電容器和所述第二電容器和/或所述第一子電容器和所述第二子電容器連接成第一組電容器和第二組電容器及第一組子電容器和第二組子電容器，其中所述第一組電容器的電容值是所述第二組電容器的電容值的二倍。14.如權利要求11所述的方法，其中所述采樣、所述組合和所述生成的步驟是在逐次逼近模數轉換器中執行的，所述逐次逼近模數轉換器構造為至少部分地基于存儲在所述第一電容器和所述第二電容器上的電荷組合來生成所述數字輸出信號的第一位。15.如權利要求11所述的方法，其中所述采樣、所述組合和所述生成的步驟是在流水線模數轉換器中執行的，所述流水線模數轉換器構造為至少部分地基于存儲在所述第一電容器和所述第二電容器上的電荷組合來生成數字輸出信號的第一位。16.如權利要求11所述的方法，其中所述生成數字輸出信號的步驟包括對所述第一電容器和所述第二電容器在所述采樣時間間隔期間采樣和存儲的電荷執行模數轉換操作。17.如權利要求16所述的方法，其中所述生成數字輸出信號的步驟包括：至少部分地基于所述第一電容器上的組合樣本來執行第一模數轉換操作以生成所述數字輸出信號的第一位，以及至少部分地基于所述第二電容器上的組合樣本來執行第二模數轉換操作以生成所述數字輸出信號的第二位...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬克·艾蘭·萊姆金，
申請(專利權)人：凌力爾特公司，
類型：發明
國別省市：美國,US