【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于集成電路設(shè)計，涉及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)，具體涉及一種高能效的基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及其實(shí)現(xiàn)方法。
技術(shù)介紹
1、先進(jìn)工藝下，晶體管的本征增益逐漸變小，電源電壓逐漸變低，設(shè)計出高性能的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和比較器變得愈發(fā)困難。先進(jìn)工藝的晶體管具有更高的截止頻率，時域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)利用時域的變量（例如頻率和相位），通過構(gòu)建一些簡單的數(shù)字化的模塊（例如反相器）進(jìn)行模擬信號的處理，充分利用了先進(jìn)工藝的優(yōu)勢，具有較高的能效。基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器作為一種典型的時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，受到了廣泛的關(guān)注。
2、基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）壓控振蕩器是一種數(shù)字化結(jié)構(gòu)，可以在較低的電源電壓下正常工作，并消耗較小的功耗；2）壓控振蕩器具有本征相位域積分的特性，在相位域具有無窮的直流增益，不會受到晶體管本征增益的限制，可以構(gòu)建出更加理想的積分器；3）壓控振蕩器具有本征的相位域量化特性，通過觸發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)低成本的多比特量化，避免了多比特量化的過采樣系統(tǒng)對低失調(diào)比較器的需求。
3、然而，物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療等部分應(yīng)用場景經(jīng)常需要使用高階噪聲整形的時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器完成模擬信號的處理，高階環(huán)路需要補(bǔ)償技術(shù)以保證環(huán)路的穩(wěn)定性。前饋補(bǔ)償是一種常見補(bǔ)償技術(shù)，具有高線性度、低硬件開銷的優(yōu)勢，但是壓控振蕩器的積分功能和量化功能均在相位域進(jìn)行，并且二者緊密地耦合在一起，使得基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器難以通過前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)環(huán)路的穩(wěn)定。
4、因此，目前采用現(xiàn)有技術(shù)很難設(shè)計出適用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的高能效的基于壓控振蕩器
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的基于壓控振蕩器的高階數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器難以前饋補(bǔ)償?shù)膯栴}，本專利技術(shù)提供了一種高能效的基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，具體涉及一種高能效的、低成本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相位域前饋方法，通過壓控振蕩器前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性。通過該技術(shù)，可以更簡單地構(gòu)建高能效的基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電容傳感器讀出電路等），適用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療等應(yīng)用場景。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：
3、一種基于壓控振蕩器的增量型縮放式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，將前饋相位先加入壓控振蕩器的總差分相位中，量化結(jié)束后減去，從而等效實(shí)現(xiàn)了相位域的前饋補(bǔ)償，通過壓控振蕩器前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性。
4、本專利技術(shù)的基于壓控振蕩器的增量型縮放式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括：采樣電路、一個多位逐次逼近型（sar）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、一個多位多階的delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。其中，采樣電路完成對模擬信號的采樣和轉(zhuǎn)換；sar數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一級，用于完成對模擬信號的粗量化；delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第二級，用于完成對模擬信號的細(xì)量化。多位sar數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和多位多階delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器共用一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac），該dac由兩部分編碼方式不同的電容陣列構(gòu)成，整個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分兩步進(jìn)行工作，首先進(jìn)行一次粗量化，切換多位sar對應(yīng)的dac，并將其稱為粗量化dac，然后進(jìn)行若干次細(xì)量化，切換多位多階delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的dac，并將其稱為細(xì)量化dac。
5、下面對本專利技術(shù)提出的基于壓控振蕩器的增量型縮放式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的具體部件進(jìn)行詳細(xì)說明。
6、a.?采樣電路
7、具體實(shí)施時，本專利技術(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)具體應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的采樣電路前端。例如，對于模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，采樣開關(guān)與多位sar數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和多位多階delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器共用的dac構(gòu)成采樣電路；對于電容傳感器讀出電路，可以搭建電容電壓轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)前端構(gòu)成單獨(dú)的采樣電路，也可以將傳感電容和dac并聯(lián)，與采樣開關(guān)構(gòu)成采樣電路。
8、b.?粗量化sar數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
9、具體實(shí)施時，本專利技術(shù)采用的sar數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器包含采樣電路、粗量化dac、比較器、數(shù)字邏輯四部分。dac頂板產(chǎn)生差分電壓，比較器判斷差分電壓的極性，通過數(shù)字邏輯，切換dac對應(yīng)的電容，經(jīng)過從大到小多次電容切換，將dac頂板電壓縮小到合適的范圍。
10、c.?細(xì)量化delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
11、具體實(shí)施時，本專利技術(shù)采用的delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器包含細(xì)量化dac、環(huán)路濾波器、相位域量化器、數(shù)字邏輯四部分。工作時，細(xì)量化delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入為粗量化之后的殘差電壓，環(huán)路濾波器對輸入電壓和細(xì)量化dac輸出的差值進(jìn)行積分、前饋等操作，相位域量化器位于環(huán)路濾波器之后，進(jìn)行量化，并通過數(shù)字邏輯切換細(xì)量化dac，完成閉環(huán)。環(huán)路濾波器和相位域量化器的具體細(xì)節(jié)如下：
12、c1．環(huán)路濾波器
13、環(huán)路濾波器由兩級積分器構(gòu)成，分別稱為第一級積分器（第一級環(huán)路濾波器）和第二級積分器（第二級環(huán)路濾波器）。第一級積分器為一個普適的積分器，可以實(shí)現(xiàn)為高能效的開環(huán)積分器，也可以實(shí)現(xiàn)為一個高魯棒性的閉環(huán)積分器。第二級積分器采用壓控振蕩器結(jié)構(gòu)，利用前述的壓控振蕩器低功耗、無窮直流增益、本征多比特量化等特點(diǎn)，提高基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精度和能效。
14、具體實(shí)施時，壓控振蕩器采用運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和電流控制振蕩器級聯(lián)的形式，運(yùn)算跨導(dǎo)放大器將輸入電壓轉(zhuǎn)化為電流，電流控制振蕩器將電流映射到頻率，積分為相位信息。
15、高階delta-sigma環(huán)路需要補(bǔ)償以保證環(huán)路穩(wěn)定，本專利技術(shù)采用前饋補(bǔ)償，提高系統(tǒng)線性度、減小系統(tǒng)的硬件開銷。其具體實(shí)現(xiàn)為：將運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸入晶體管以及電容拆成兩份，即壓控振蕩器的正輸入端和負(fù)輸入端各包含2個輸入晶體管和輸入電容，2個輸入晶體管的源極相連、漏極相連，柵極斷開，利用多位多階delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘的特點(diǎn)，在相位量化前的半個細(xì)量化周期，將被拆分的輸入晶體管并聯(lián)，同時也將拆分的輸入電容并聯(lián)，電容頂板連接輸入晶體管的柵極，此時被拆分的輸入晶體管產(chǎn)生各自的差分電流，同時流向電流控制振蕩器中，實(shí)現(xiàn)總差分相位的變化。在相位量化后的半個周期，將并聯(lián)的兩個電容拆開，壓控振蕩器正輸入端和負(fù)輸入端各1個電容作為第一級積分器的負(fù)載電容，正輸入端和負(fù)輸入端各自剩余的1個電容用于前饋通路的實(shí)現(xiàn)。與此同時，將壓控振蕩器正輸入端和負(fù)輸入端各1個輸入晶體管的柵極連接到共模參考電平（vcm），等效于沒有差分電流流過電流控制振蕩器，將正輸入端和負(fù)輸入端的另1個輸入晶體管的柵極交叉連接到前述的未充當(dāng)?shù)谝患壏e分器負(fù)載的電容上，交叉連接等效于在該半個細(xì)量化周期內(nèi)產(chǎn)生了大小相等、極性相反的輸入信號，因而產(chǎn)生了和前半個周期大小相等、極性相反的差分相位，從總差分相位中減去。即每個細(xì)量化周期的相位變化分為兩部分，其中一部分相位被永久加入到總差分相位中，實(shí)現(xiàn)了相位的積分；另一部分相位首先被加入到總差分相位中，然后進(jìn)行相位域量化，量化結(jié)束后被從總差分相位中減去，沒有對第二級環(huán)路濾波器產(chǎn)生任何影響，等效于實(shí)現(xiàn)了從第二級環(huán)路濾波器輸入到相位域量化器輸入的前饋通路。該實(shí)現(xiàn)方法將壓控振蕩器和dac完全隔離開，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，將前饋相位先加入壓控振蕩器的總差分相位中，量化結(jié)束后減去，從而實(shí)現(xiàn)相位域的前饋補(bǔ)償，通過壓控振蕩器前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性；包括如下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，多位逐次逼近型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的DAC為二值DAC，即控制DAC的數(shù)字碼只有0和1共2種輸入；多位多階數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的DAC為三值DAC，即控制DAC的數(shù)字碼有-1、0和1共3種輸入。
3.如權(quán)利要求1所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，制備得到的包含相位域前饋控制邏輯的壓控振蕩器采用運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和電流控制振蕩器級聯(lián)的形式，運(yùn)算跨導(dǎo)放大器將輸入電壓轉(zhuǎn)化為電流，電流控制振蕩器將電流映射到頻率，積分為相位信息。
4.如權(quán)利要求3所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述壓控振蕩器的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器差分輸入晶體管和輸入電容各拆為2個，即壓控振蕩器的正輸入端和負(fù)輸入端各包含2個輸入晶體管和輸入電容，2個輸入晶體管的源極相連、漏極相連、柵極斷開。
5.如權(quán)利
6.如權(quán)利要求5所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，在位量化后，將壓控振蕩器正輸入端和負(fù)輸入端各1個電容連接至前級積分器的正輸出端和負(fù)輸出端，充當(dāng)負(fù)載電容，壓控振蕩器正輸入端和負(fù)輸入端各自剩余的1個電容互換，連接至被拆分的1個晶體管的柵極，壓控振蕩器正輸入端和負(fù)輸入端的各自剩余的1個晶體管的柵極同時接入?yún)⒖脊材ｋ妷海纱藢⑶鞍雮€細(xì)量化周期需要被前饋的相位從總差分相位中減去，實(shí)現(xiàn)從壓控振蕩器輸入到相位域量化器輸入的前饋通路。
7.一種利用權(quán)利要求1所述的方法實(shí)現(xiàn)的基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括：采樣電路、多位逐次逼近型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和多位多階Delta-Sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；其中：
8.如權(quán)利要求7所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作時，分兩步進(jìn)行，首先進(jìn)行一次粗量化，切換多位逐次逼近型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的DAC，即粗量化DAC；然后進(jìn)行多次細(xì)量化，切換多位多階Delta-Sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的DAC，即細(xì)量化DAC。
9.如權(quán)利要求7所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，對于模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，采樣開關(guān)與多位逐次逼近型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和多位多階Delta-Sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器共用的DAC構(gòu)成采樣電路；對于電容傳感器讀出電路，搭建電容電壓轉(zhuǎn)換器構(gòu)成單獨(dú)的采樣電路，或?qū)鞲须娙莺虳AC并聯(lián)，與采樣開關(guān)構(gòu)成采樣電路。
10.如權(quán)利要求7所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，相位域量化器采用雙鑒頻鑒相器，對壓控振蕩器的輸出進(jìn)行量化，壓控振蕩器相位變化使得量化后的數(shù)字碼跟隨壓控振蕩器中心頻率的變化而選擇對應(yīng)的DAC中的電容，即固有時鐘平均。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，將前饋相位先加入壓控振蕩器的總差分相位中，量化結(jié)束后減去，從而實(shí)現(xiàn)相位域的前饋補(bǔ)償，通過壓控振蕩器前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定性；包括如下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，多位逐次逼近型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的dac為二值dac，即控制dac的數(shù)字碼只有0和1共2種輸入；多位多階數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的dac為三值dac，即控制dac的數(shù)字碼有-1、0和1共3種輸入。
3.如權(quán)利要求1所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，制備得到的包含相位域前饋控制邏輯的壓控振蕩器采用運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和電流控制振蕩器級聯(lián)的形式，運(yùn)算跨導(dǎo)放大器將輸入電壓轉(zhuǎn)化為電流，電流控制振蕩器將電流映射到頻率，積分為相位信息。
4.如權(quán)利要求3所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述壓控振蕩器的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器差分輸入晶體管和輸入電容各拆為2個，即壓控振蕩器的正輸入端和負(fù)輸入端各包含2個輸入晶體管和輸入電容，2個輸入晶體管的源極相連、漏極相連、柵極斷開。
5.如權(quán)利要求4所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，多位多階delta-sigma數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在相位量化前，將拆分的2個電容并聯(lián)，電容頂板同時連接拆分的2個輸入晶體管的柵極，即此時壓控振蕩器正輸入端和負(fù)輸入端各包含2個并聯(lián)的輸入晶體管和輸入電容，輸入晶體管產(chǎn)生差分電流流過電流控制振蕩器，將需要被積分的相位和需要被前饋的相位加入總差分相位中。
6.如權(quán)利要求5所述基于壓控振蕩器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐希源，李秉芮，
申請(專利權(quán))人：北京大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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