CN1977458B - 用于连续时间的增量累加模数转换器的混合调谐电路 - Google Patents

用于连续时间的增量累加模数转换器的混合调谐电路 Download PDF

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Abstract

使用一种由数字有限状态机和模拟调谐电路构成的混合调谐电路以在过程、温度、电源和采样速率改变的情况下仍保持连续时间积分器的RC乘积恒定。因为该实现是连续的，所以跟踪比传统技术更为精确。使用仔细选择的计时方案，该技术就能消除反馈DAC中的码间串扰。该技术不使用基准频率，由此就无需用户识别基准频率。

Description

用于连续时间的增量累加模数转换器的混合调谐电路
优先权信息
本申请要求于2004年6月29日提交的美国临时专利申请第60/583，756号以及于2004年9月8日提交的美国临时专利申请第10/936,179号的优先权，这两个申请全文结合于此作为参考。
发明领域
本发明涉及增量累加(sigma-delta)噪声整形型混合信号转换器，尤其涉及利用混合的连续时间和离散时间电路的混合信号模数转换器。
发明背景
增量累加模数转换器(ADC)提供了一种以与传统的耐奎斯特(Nyquist)转换器相比相对较低的成本来实现高分辨率和低失真的手段。高分辨率可以通过对输入信号进行过采样并将感兴趣的频带内的量化噪声整形成更高频率区而实现。于是就能通过后续的数字滤波器级数字滤除更高频率的噪声。随后在转换器的输出处将所得信号欠采样至期望的采样频率。
通常，使用诸如开关电容器等离散时间电路来实现音频增量累加ADC是出于下列原因。通常在第一积分器实现中使用的开关电容器电路对时钟颤动的灵敏度较低并且容易地用采样速率缩放。此外，由于电容器的良好匹配使得系数的跟踪固有地良好。但由于离散时间的特性，该转换器就会遭受主要由第一积分器的采样电容器所捕捉的信号相关假信号脉冲(glitch)所引发的谐波失真。在诸如数字信号处理器(DSP)等带有片上转换器的高度集成的电路中，由于DSP以比转换器高得多的时钟速率来运行，因而很难包含这些非期望的假信号脉冲。此外，对于信噪比(SNR)超过100dB的高性能转换器来说，采样电容器必须很大以降低热噪声。当这些大电容器对输入电压进行采样时，它们就把电流假信号脉冲发回信号源，而这就导致电磁干扰(EMI)。
第一积分器可以诸如连续时间积分器实现中那样使用真实的电阻器和电容器来实现，而非通过开关电容器来实现该积分器。Sooch等人的美国专利5,079，550(其后称为Sooch)提供了在增量累加ADC中这一连续时间和离散时间积分器的组合。
图1示出了概述Sooch的设置100的框图，该设置100包括加法器电路101、连续时间积分器102、离散时间积分器104、量化器106和电流反馈数模转换器(DAC)108。模拟输入信号连接至加法电路或加法器101的正输入，而加法器101的输出则连接至环路滤波器105的输入，该输入同时也是连续时间积分器102的输入。连续时间积分器102的输出被转换成离散时间信号。连接至连续时间积分器102另一侧的是离散时间积分器104，其中离散时间积分器104的输出形成模拟环路滤波器105的输出并连接至量化器106的输入，而该量化器在本示例中是一位模数转换器。量化器106的输出形成输出，同时还形成DAC 108的输入，而DAC 108的输出则连接至加法器101的负输入。
由于第一级连续时间设置的特性，在第一级内发生的任何假信号脉冲就被平均到整个时钟周期上而不是被采样。这样就大大降低了这些假信号脉冲对转换器性能的消极影响。这也是连续时间相对离散时间实现的主要优点。此外，因为输入阻抗是纯电阻性的(如果消除了来自输入的前馈路径)，所以该电路无法将高频电流假信号脉冲发回至外部源。Sooch的设置产生与开关电容器实现相比大幅降低的电磁干扰(EMI)。但是，图1的Sooch设置仍有许多缺陷，如下将对其中的一些做出阐述。
与连续时间和离散时间组合实现相关联的一个主要缺点是RC时间常数，或积分器增益会随着过程、温度和电源的变化而显著变化。RC乘积的变化还改变环路的噪声传递函数并导致转换器性能的劣化。
与这一实现相关联的另一缺点是RC时间常数还会随着对第二级内的开关电容器网络计时的转换器主时钟的周期的变化而变化。这从本质上把转换器操作限制在一个特定采样速率上。
与连续时间实现相关联的另一缺点是连续时间反馈DAC具有会支配ADC整体性能的谐波失真的码间串扰(ISI)。
在Xia等人题为＂An automatic tuning structure for continuous-time sigma-deltaADC and high precision filters＂的论文中提出了为解决这一问题做出的尝试。Xia等人通过离散调谐方法解决了RC乘积的稳定化问题。图2示出了由Xia等人教示的现有调谐技术的简图。图2的设置包括基准电流源202、可编程电容器组204、固定电容器206、比较器208和调谐逻辑电路210。通过将电容器输出处的电压校准至固定电压，该电路生成同时控制调谐电路的可编程电容器阵列以及第一级连续时间积分器的可编程电容器阵列两者的控制码。Xia的技术的缺点是计数器的粗略量化步长，这不适于高精度增量累加ADC。此外，可编程电容器阵列204的使用还将调谐限制在窄范围内，因而不适于音频ADC要求的大幅变化的采样速率。
图3示出了增量累加ADC内的连续时间第一级的传统微分实现。它由放大器300、一对电容器302和304、一对输入电阻器306和308以及反馈DAC 310构成。在正常工作模式中，输入电压经由输入电阻器306和308转换成电流。反馈DAC 310由转换器的数字输出控制。如上所述，数字输出的低频内容与输入一致。因而，作为输入电流和DAC的输出之差的误差电流大部分是高频整形噪声。该噪声由电容器302和304积分，并在随后由后续的开关电容器积分器采样。
无论以上讨论的现有技术实现有什么明确的优点、特征和优势，但它们都无法达到或实现本发明的目的。
发明概述
本发明提供了一种方法，包括如下步骤：(a)补偿连续时间积分器内的RC乘积的变化以及采样频率的变化；以及(b)基于所述补偿调节所述连续时间积分器的积分区间；以及(c)基于所述补偿调节所述积分电容器。在一个实施例中，本发明的方法基于同时对连续时间积分器的输入和反馈信号应用归零技术来消除码间串扰。在另一个实施例中，本发明的方法通过对输入和反馈信号之差应用归零技术来消除码间串扰问题。
本发明还提供一种降低在转入和转出归零周期期间在电流源的漏极处的假信号脉冲的方法，其中该方法包括如下步骤：(a)将输入电阻器和反馈DAC与积分器断开连接(b)在归零周期期间将DAC的输出和输入电阻器都连接至一已知电压；(c)将DAC输出电压保持在已知电平；(d)在归零周期期间改变DAC输入码。
本发明还提供了一种与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，其中该改进的连续时间积分器包括第一多个开关和第一可编程电容器阵列。该混合调谐电路包括：(a)通过控制第一多个开关来生成并连续调节积分控制信号并具有第二可编程电容器阵列和第二多个开关的模拟控制电路，其中积分控制信号控制连续时间积分器的积分时间；以及(b)监视积分控制信号的有限状态机，其中该有限状态机递减和递增所述连续时间积分器和所述模拟控制电路的电容器阵列内的电容器大小。
本发明还提供一种改进的连续时间积分器，包括：(a)数模转换器(DAC)；(b)多个输入电阻器；(c)运算放大器；(d)可经由混合调谐电路控制的多个开关；(e)多个可编程电容器阵列；(f)固定电容器；并且其中，要么在积分周期中开关将输入电阻器和DAC输出连接到运算放大器的相应求和结点，要么开关将电阻器和DAC输出与运算放大器断开连接，并且将输入电阻器和DAC输出连接至一已知电压。
本发明还提供一种有限状态机，包括：(a)用于监视来自模拟控制电路的积分控制信号的装置；以及(b)用于在需要时递减连续时问积分器内的电容器大小的装置；(c)用于在需要时递增连续时间积分器内的电容器大小的装置。
附图简述
图1示出了现有技术的增量累加ADC的连续时间和离散时间实现的组合。
图2示出了现有的离散调谐技术。
图3示出了连续时间积分器的常规微分实现。
图4示出了本发明的带有连续时间第一级的四位增量累加模数转换器的框图。
图5示出了本发明的一个示例性实施例，其中描述的电路消除了上述现有技术的问题。
图6示出了调谐电路的数字有限状态机的一个示例性实施例。
图7示出了模拟控制电路的一个示例性实施例。
图8示出了描述开关方案的时序图。
图9示出了积分器电压与积分时间之间的关系的曲线图。
本发明的详细描述
虽然本发明是参考其若干较佳实施例来示出和描述的，但是可以对本发明的形式和细节做出各种变化、省略和附加而不背离本发明的精神和范围。
本发明使用包括数字有限状态机和模拟控制电路的混合调谐电路，以保持连续时间积分器的RC乘积在工序、温度、供应和采样速率变化的情况下仍恒定。因为本发明的实现本质上是连续的，所以跟踪比前述传统技术要精确的多。此外，本发明允许采样速率的大范围变化，而这在现有技术中是不可能的。
根据本发明的另一个方面，提供了一种仔细选择的计时方案，其中该方案消除了反馈DAC中的码间串扰(ISI)，而该码间串扰(ISI)是与现有技术的连续时间ADC设计相关联的主要缺陷。应该注意到，本发明的技术不使用基准频率来进行校准，因此无需用户识别该基准。
图4示出了在本发明中使用的带有连续时间第一级的4位2阶增量累加模数转换器的简化模型。该设置主要包括连续时间积分器402、开关电容器DAC 406、开关电容器积分器404、电流导引DAC 408、16级闪存ADC 410、二进制-温度计代码编码器412、以及以数据为导向的扰频器414。
图5示出了本发明的一个示例性实施例，其中图5的电路500消除了上述与现有技术相关的问题。电路500由两个部分构成：改进的连续时间积分器502和调谐电路504。所述改进的连续时间积分器具有与输入电阻器510和512串联的一对开关506和508、放大器518、DAC 526和电压缓冲器520。开关506和508由调谐电路504控制。可编程电容器阵列514和516也由调谐电路504控制。
调谐电路504包括有限状态机和模拟控制块。图6示出了调谐电路304的有限状态机的一个示例性实施例。该有限状态机由用来执行图4的流程图所描述的任务的多个D触发器和组合逻辑、用来控制模拟调谐电路中的电容器阵列以及所述连续时间积分器内的电容器阵列的4位二进制计数器构成。该有限状态机可以用硬件描述语言或简单地由手动设计来实现。
图7示出了上述模拟控制电路的一个示例性实施例。该模拟控制电路由组合了RESET-SET(RS)触发器702的脉冲发生器、由DAC的相同偏压偏置的电流源704、可编程电容器阵列706、开关阵列708、固定电容器710、比较器712、一对开关714和716、分路开关718构成。可编程电容器的和与固定电容器之比与改进的连续时间积分器502中的相等。调谐电路和所述连续时间积分器内的可编程电容器都由来自有限状态机的同一数字码控制。模拟电路的输入由主时钟、全部ADC的时钟、来自所述有限级的数字码构成。模拟控制电路生成控制图5中的开关506和508的积分控制信号。
回到对图5的讨论；一个目标是与RC乘积的改变成比例地改变积分周期，即积分器内的两个开关506和508闭合的周期，，使得积分器输出处的最终电压在过程、电源、温度和采样速率改变的情况下仍为常数。这一动作可以通过增大或减小积分控制信号而在模拟控制电路内自动完成。另一个目标是依据来自调谐电路504的有限状态机的指令削减积分器内的反馈电容器(514和516)。
如下将讨论调谐电路的工作。一通电，该模拟控制电路就处于复位状态。在此状态下，比较器输出为0，控制电路500和积分器502内的所有电容器都被接通，而积分器内的开关506和508都闭合。这一构造形成了未调谐的连续时间积分器。当复位信号被取消赋值(de-assert)时，调谐电路504就开始工作。图8示出了这一情况。在主时钟的上升沿，脉冲发生器产生一个触发RESET-SET触发器电路的脉冲。该触发器的输出随后接通连续时间积分器内的两个开关506和508以开始积分周期。与此同时，(图7中的)成比例电流源704开始对电容器充电。当电容器阵列输出处的电压越过比较器的阈值时，比较器将启动(trip)。随后它复位RS触发器并结束积分周期。开关714随后对调谐电路中电容器的电压放电。在这期间，开关718将电流源704的输出接地，从而将该结点处的寄生电容器捕捉的任何电压都放电。
图7中的模拟控制电路被设计成使得积分周期在时钟的下一个上升沿之前结束。在非积分时间期间，即积分器内的两个开关全都断开时，DAC的各位可以变为下一值(如图8所示)。当下一个积分周期开始时，DAC的各位就已经被设置为正确的值。这意味着积分器对DAC的先前的数据没有记忆。因而，积分器就能免于码间串扰。本领域的普通技术人员可以认为这是应用于作为馈入和反馈电流之差的误差信号的归零方案。该方案的益处如下：(a)RTZ被应用于流经积分器内各开关的小误差信号，因而就不会对积分器内的运算放大器施加任何额外压力；并且(b)开关不会传导任何与信号相关的电流，因而就不会引发转换器性能的失真。这是与传统上对仅DAC的实现应用RTZ相比的主要优点。
图6的有限状态机恒定地监视积分控制信号。在电容器由于过程变化而小于正常值的情况下，模拟控制电路内电容器阵列输出处的电压将比正常情况下更早达到比较器阈值。积分器的输出也比正常情况下上升得更快。但是当比较器启动时，它缩短了积分周期。因此，积分器输出处的最终电压就仍然与正常情况下的相同；这一情况在图9中示出。
在电容器由于过程变化而大于正常值的情况下，模拟控制电路内电容器阵列输出处的电压将比正常情况下更晚达到比较器阈值。积分器的输出也比正常情况下上升的更慢。因此就需要更长的时间使比较器启动。积分周期就变得比正常的长。调谐电路连续跟踪，直到积分周期变得长于一个时钟周期。当这一情况发生时，有限状态机就递减模拟控制电路内的可编程电容器阵列。它将连续进行这样的操作直到积分周期比一个时钟周期短。此时，调谐电路把连续时间积分器内的可编程电容器变为与模拟控制电路内使用的代码相同。因此，采样速率变化的上限是可编程电容器阵列与调谐电路内的可编程和固定电容器之和的比率。
在校准完成之后，调谐电路就处于监视状态，在该状态中，它连续检查积分控制信号并在必要时重启校准。为确保连续时间积分器的不中断工作，开关506和508在校准期间始终闭合。同样，连续时间积分器内的电容器阵列也仅在校准周期结束时被更新。

Claims (18)

1.一种与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，所述改进的连续时间积分器包括第一多个开关和第一可编程电容器阵列，所述混合调谐电路包括：
用于生成并连续调节用于控制所述第一多个开关的积分控制信号且具有第二可编程电容器阵列和第二多个开关的模拟控制电路；所述积分控制信号控制所述改进的连续时间积分器的积分周期；以及
监视所述积分控制信号的有限状态机，其中所述有限状态机递减和递增所述改进的连续时间积分器的所述第一可编程电容器阵列内的电容器大小，并递减和递增所述模拟控制电路的所述第二可编程电容器阵列内的电容器大小；
其中，通过增大或减小所述积分控制信号而与所述改进的连续时间积分器的RC乘积的改变成比例地改变所述积分周期，使得所述改进的连续时间积分器输出处的最终电压恒定。
2.如权利要求1所述的与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，其特征在于，所述积分周期是所述第一多个开关闭合的周期，并且所述改进的连续时间积分器输出处的最终电压在过程、电源、温度和采样速率存在改变的情况下恒定。
3.如权利要求2所述的与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，其特征在于，通过增大或减小所述积分控制信号而成比例地改变所述第一多个开关闭合的周期。
4.如权利要求1所述的与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，其特征在于，所述改进的连续时间积分器还包括第一固定电容器，并且所述第一多个开关或者在所述积分周期期间将所述改进的连续时间积分器的输入电阻器和DAC输出连接至所述改进的连续时间积分器的运算放大器的相应求和节点，或者将所述改进的连续时间积分器的所述输入电阻器和DAC输出与所述运算放大器断开，并且将所述输入电阻器和DAC输出连接至一已知电压。
5.如权利要求1所述的与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，其特征在于，所述模拟控制电路还包括：
脉冲发生器；
RS触发器；
用电流导引DAC偏置电路偏置的电流源；
第二固定大小电容器；以及
比较器。
6.如权利要求1所述的与改进的连续时间积分器协同工作的混合调谐电路，其特征在于，所述改进的连续时间积分器和模拟控制电路还分别包括第一和第二固定电容器，并且所述第一可编程电容器阵列之和与所述第一固定电容器的比率等于所述第二可编程电容器阵列之和与所述第二固定电容器的比率。
7.一种实现与改进的连续时间积分器部件协同工作的混合调谐电路的集成电路，所述改进的连续时间积分器部件包括第一多个开关和第一可编程电容器阵列，所述混合调谐电路包括：
用于生成并连续调节用于控制所述第一多个开关的积分控制信号且具有第二可编程电容器阵列和第二多个开关的模拟控制电路部件；所述积分控制信号控制所述改进的连续时间积分器部件的积分周期；以及
监视所述积分控制信号的有限状态机部件，其中所述有限状态机部件递减和递增所述改进的连续时间积分器部件的所述第一可编程电容器阵列内的电容器大小，并递减和递增所述模拟控制电路部件的所述第二可编程电容器阵列内的电容器大小；
其中，通过增大或减小所述积分控制信号而与所述改进的连续时间积分器部件的RC乘积的改变成比例地改变所述积分周期，使得所述改进的连续时间积分器部件输出处的最终电压恒定。
8.如权利要求7所述的实现与改进的连续时间积分器部件协同工作的混合调谐电路的集成电路，其特征在于，所述积分周期是所述第一多个开关闭合的周期，并且所述改进的连续时间积分器部件输出处的最终电压在过程、电源、温度和采样速率存在改变的情况下恒定。
9.如权利要求8所述的一种实现与改进的连续时间积分器部件协同工作的混合调谐电路的集成电路，其特征在于，通过增大或减小所述积分控制信号而成比例地改变所述第一多个开关闭合的周期。
10.如权利要求7所述的实现与改进的连续时间积分器部件协同工作的混合调谐电路的集成电路，其特征在于，所述改进的连续时间积分器部件还包括第一固定电容器，并且所述第一多个开关或者在所述积分周期期间将所述改进的连续时间积分器部件的输入电阻器和DAC输出连接到所述改进的连续时间积分器部件的运算放大器的相应求和节点，或者将所述改进的连续时间积分器部件的所述输入电阻器和DAC输出与所述运算放大器断开，并且将所述输入电阻器和DAC输出连接至一已知电压。
11.如权利要求7所述的实现与改进的连续时间积分器部件协同工作的混合调谐电路的集成电路，其特征在于，所述模拟控制电路部件还包括：
脉冲发生器；
RS触发器；
用电流导引DAC偏置电路偏置的电流源；
第二固定大小电容器；以及
比较器。
12.如权利要求7所述的实现与改进的连续时间积分器部件协同工作的混合调谐电路的集成电路，其特征在于，所述改进的连续时间积分器部件和模拟控制电路部件还分别包括第一和第二固定电容器，并且所述第一可编程电容器阵列之和与所述第一固定电容器的比率等于所述第二可编程电容器阵列之和与所述第二固定电容器的比率。
13.一种连同模拟调谐块一起在调谐电路中实现的有限状态机，所述调谐电路与改进的连续时间积分器协同工作，所述改进的连续时间积分器包括第一多个开关和第一可编程电容器阵列，所述有限状态机包括：
用于监视来自所述模拟调谐块的积分控制信号的装置，所述积分控制信号控制所述改进的连续时间积分器的积分周期，以及
用于基于对所述积分控制信号的所述监视递减和递增所述改进的连续时间积分器内的所述第一可编程电容器阵列的电容器大小的装置；
其中，通过由所述模拟调谐块增大或减小所述积分控制信号而与所述改进的连续时间积分器的RC乘积的改变成比例地改变所述积分周期，使得所述改进的连续时间积分器输出处的最终电压恒定。
14.如权利要求13所述的有限状态机，其特征在于，所述模拟调谐块包括第二可编程电容器阵列和第二多个开关，以生成并连续调节用于控制所述第一多个开关的积分控制信号。
15.如权利要求13所述的有限状态机，其特征在于，所述积分周期是所述第一多个开关闭合的周期，并且所述改进的连续时间积分器输出处的最终电压在过程、电源、温度和采样速率存在改变的情况下恒定。
16.如权利要求15所述的有限状态机，其特征在于，通过增大或减小所述积分控制信号而成比例地改变所述第一多个开关闭合的周期。
17.如权利要求13所述的有限状态机，其特征在于，所述模拟调谐块包括：
脉冲发生器；
RS触发器；
用电流导引DAC偏置电路偏置的电流源；
控制所述电流源的一对开关；
固定大小电容器；
由来自所述有限状态机的数字码编程的可编程电容器阵列；以及
比较器。
18.一种调节改进的连续时间积分器内的积分周期的方法，所述方法包括如下步骤：
生成积分控制信号；以及
通过所述积分控制信号控制所述改进的连续时间积分器的积分周期；
其中，通过增大或减小所述积分控制信号而与所述改进的连续时间积分器的RC乘积的改变成比例地改变所述积分周期，使得所述改进的连续时间积分器输出处的最终电压恒定。
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