用於德耳塔西格馬模擬數字轉換器的增益控制的製作方法

2023-10-06 12:35:34

專利名稱：用於德耳塔西格馬模擬數字轉換器的增益控制的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及Δ-∑轉換器，更具體地，涉及具有可編程增益的模擬數字轉換器中的Δ-∑調製器。
相關申請的交叉引用本申請要求於2004年3月31日提交的美國序列No.10/816,266的優先權。
背景技術：
為了提供高解析度數據轉換，模擬數字轉換器(ΔDC)使用Δ-∑調製器。這些調製器使用多個過採樣技術，以使得便於進行所述數據轉換。通常，提供有輸入開關網絡，其用於將在第一階段中的電壓輸入採樣到輸入採樣電容上。在第二階段中，所存儲的電荷被轉移或者「排放(dump)」到由放大器和反饋電容構成的積分器的輸入上，該排放操作將電荷轉移到反饋電容。放大器的另一輸入接地。提供有另一開關電容或採樣網絡，其用於採樣調製器的輸出信號並且以電荷包的形式將反饋提供給積分器。這可通過如下操作而便於進行，即，將參考電壓採樣到反饋採樣電容上，然後將來自該電容的電荷排放到積分器的輸入上以轉移到反饋電容。調製器的增益是在比較器判決周期期間從輸入採樣電容轉移到反饋電容的電荷量與從反饋採樣電容轉移到反饋電容的電荷量的比率。通過如下操作來便於進行增益調節，即，相對於由於將參考電壓採樣到反饋採樣電容上而轉移到積分電容上的電荷量，改變由於將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上而轉移到反饋電容的電荷量。通過改變反饋電容的尺寸或者輸入電容的尺寸，或者影響從這兩個電容轉移到積分器的電荷量，可以改變增益。

發明內容
在本發明的一個方面，本文所公開並要求保護的本發明包括一種用於驅動Δ-∑轉換器中的積分器的輸入的方法，該積分器具有放大器，其具有非反向輸入、輸出和連接到參考電壓的正輸入；以及積分電容，連接在非反向輸入與輸出之間。以第一速率將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上，然後在第二時間以第一速率將電荷從輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入。以基本上第一速率將參考電壓採樣到反饋採樣電容上，並且以不同於第一速率的第二速率將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入。將從反饋採樣電容排放電荷的時間量控制為基本上等於從輸入採樣電容排放電荷的時間量，其中相對於第一速率變化第二速率改變了Δ-∑轉換器的增益。


為了更完全地理解本發明及其優點，現在結合附圖參考下文的說明，圖中圖1例示了本發明的Δ-∑調製器的示意圖；圖2例示了用於採樣電路的操作的一組時序圖；圖3例示了電荷轉移操作的第一階段的示意圖；圖4例示了電荷轉移操作的第二階段、電荷排放操作的簡化圖；圖5例示了對於反饋採樣電容的充電圖。
具體實施例方式
現在參考圖1，例示了Δ-∑調製器的示意圖。Δ-∑調製器包括開關電容採樣電路102，其用於接收輸入節點104上的模擬輸入電壓。該電壓被輸入受定時信號1的控制的開關電容106。開關106的另一側連接到節點108。節點108連接到開關110的一側，開關110的另一側接地，開關110受定時信號2的控制。節點108連接到由C1標記的輸入採樣電容112的一側，輸入採樣電容112的另一側連接到節點114。節點114連接到開關116的一側，開關116的另一側接地，開關116受定時信號1的控制。節點114還連接到開關118的一側，開關118的另一側連接到節點120。開關118受定時信號2的控制。
節點120連接到放大器122的反向輸入，放大器122的輸出連接到輸出節點124。放大器122的正輸入接地。然而，該正輸入可以連接到任何參考電壓，諸如公共模式參考電壓。反饋電容126連接在放大器122的負反向輸入與其輸出之間，即節點120與124之間，由此形成積分器。
提供了反饋開關電容電路130，用於選擇性地採樣正參考電壓VREF+或參考電壓VREF-。參考電壓VREF+連接到節點132，節點132連接到開關134的一側。開關134的另一側連接到節點136。負參考電壓VREF-連接到輸入節點138，節點138的另一側連接到開關140的一側，開關140的另一側連接到節點136。開關134受定時信號1·D-Bar的控制，而開關140受信號1·D的控制。信號「D」是反饋數位訊號，其確定應當將正電荷還是負電荷轉移到反饋電容126。
節點136連接到開關146的一側，開關146的另一側接地，開關146受定時信號2的控制。節點136還連接到反饋採樣電容148的一側，反饋採樣電容148的另一側連接到節點150。節點150連接到開關152的一側，開關152的另一側接地，並且開關152受定時信號1的控制。此外，節點150連接到開關154的一側，開關154的另一側接地，並且開關154受定時信號2·A-Bar的控制。信號A-Bar是定時信號，其提供對於從反饋電容148向反饋電容126排放電荷包的控制。節點150連接到開關156的一側，開關156的另一側連接到放大器122的非反向輸入上的節點120，開關156受定時信號2·A的控制。
根據用於Δ-∑調製器的普通技術來處理積分器在節點124上的輸出，並且該處理經過不同調製器級160。這提供了控制信號「D」，該信號用於控制在將參考電壓採樣到反饋採樣電容148上的過程中正或負參考電壓中的哪個連接到節點136。通常，調製器級160可以包括模擬濾波器和用於將信號轉換成表示採樣輸入的平均值的數字脈衝序列的數字轉換電路的任意組合，還包括數字濾波器。這提供了所述輸出。此外，定時由常規定時電路162提供，該常規定時電路162用於生成時鐘定時信號1和2，以及增益控制定時信號A。這可以由輸入到其的、將改變其定時的增益控制信號來控制，如下文將要描述的。
Δ-∑調製器的增益正比於輸入採樣電容與反饋採樣電容148的比率。通過控制從反饋採樣電容轉移到對於積分器的輸入的電荷包的數目，來改變採樣電容的影響。反饋採樣電容的實際值未變；而是對從節點150向節點120的「排放」操作的定時進行控制，以使得與從關聯於輸入採樣電容112的節點114多次排放電荷相比，從反饋採樣電容148一次性排放電荷。這受定時信號A的控制。
現在參照圖2，例示了描述圖1的Δ-∑轉換器的操作的時序圖。信號1和2通常是非交迭時鐘。當1在沿202變高時，開關106和開關116都閉合，由於2為低，開關110和118斷開。這是採樣階段，其中在電容112上採樣節點104上的模擬信號。由於連接到節點114的電容112的板極接地，所以電容102上的電壓將為VIN。當然，應當理解，開關110和116都可以參考非地電壓。由此，當1為高時，對於直到下降沿204的脈衝長度，輸入電壓被採樣到電容112。根據開關106與電容112之間的串連電阻，以及電容112與開關116之間的串連電阻，以及電容112的尺寸，電容112上的電壓將基本為VIN，但是由於固有串連電阻及其相關聯的RC時間常數，電容112上的電壓不必為完全的電壓VIN。
當1在沿204變低時，在2在沿206變高之前，將存在「間歇(break before make)」。這將導致開關106和116斷開一小段時間，以使電容112懸浮。隨後，當2為高時，開關110和118將閉合。從而，這將有效地將電容112中的電荷轉移到反饋電容126，這是常規操作。
反饋採樣網絡130按照與開關電容網絡102類似的方式操作。根據「D」的邏輯狀態，當1在上升沿202變高時，VREF+或VREF-被採樣到節點136。此時，開關152將閉合。這將有效地採樣電容C2上的電壓。再次，由於RC時間常數，電壓將接近完全的VREF+/VREF-。在下一階段中，在2的沿206，開關134/140斷開，並且開關152斷開，而開關146閉合。然而，開關156不必閉合。這取決於A的值，因為2與A取與。在所例示的實施例中，當沿206變高時，A為低。因此，沒有電荷從電容148轉移。此外，在以1的上升沿210開始的下一採樣階段，A在沿212也升為高。由此，當1在沿214變為低，並且2在沿216變為高時，這將導致開關156閉合，並且將電荷轉移到其上。這可以在所得波形2·A中看出，其中該開關被該脈衝和上升沿220控制。開關156將保持接通直到下降沿222，以將電容148上的電荷轉移到節點120。開關154用於將節點150接地，只要在將電荷從輸入採樣電容112轉移到節點120時電荷沒有從反饋採樣電容148轉移到節點120。在一個實施例中，開關154可以被去除，但是應當確保，當2變高並且開關146閉合時，節點150沒有「懸浮」。
參照圖3，例示了將電荷採樣到反饋採樣電容148上的簡化圖。如上所述，當1為高時，開關152將閉合，開關156/146斷開，並且開關132/138閉合。這將使得正或負的參考電壓被採樣到節點136以及反饋採樣電容148上。然而，在到開關132/138的輸入與連接到節點136的電容148的板極之間的線路上存在一定串連電阻。這樣，將存在與其關聯的RC時間常數，這使得充電不是瞬時的。因此，波形2在上升沿206或上升沿216中任一處的每個脈衝的開始處，電容148將開始對該串連電阻充電。然而，因為2的脈衝是具有有限脈衝寬度的有限脈衝，所以電容148可能由於串連電阻而不會完全充電至參考電壓電平，但是它將接近該電平。當然，這取決於串連電阻的值、電容148的值以及脈衝的長度，而脈衝的長度取決於開關頻率或者採樣頻率。因此，在2的下降沿，開關134/138將斷開，並且將停止進一步充電，即使電容148沒有被完全充電至參考電壓。
參照圖4，例示了電荷從電容148轉移到節點120的操作的簡化視圖。在該操作中，由於上面針對RC時間常數和串連線路電阻所描述的限制，電容148上基本上存儲有完全的參考電壓。隨後，當在波形2·A中出現上升沿220時，電荷包將從電容148通過開關150轉移。在下降沿222處，該電荷將轉移到反饋電容126。
注意，使電容148充電的時間長度是2的脈衝寬度的函數。由此，對於2為高的時間，電容148被完全充電。即使開關150沒有閉合，電容148的充電也不長於該時間段。當增益為「1」時，定時信號2·A將等於2，並且每次從電容112充電時，電荷將從電容148轉移。然而，如果電荷沒有轉移，並且如果電容148被保持在如下配置，即，對於整個時間，與節點136關聯的電容148的板極被保持連接到參考電壓，則這可能導致電容148上的電壓不同於與電容112上的電壓關聯的電壓，因為這會使得充電更長時間。然而，在本公開中，按照與將輸入電壓採樣到輸入採樣電容112上相同的頻率和相同的速率，周期性地在電容148上進行參考電壓的採樣。在圖5中以由於固有RC時間常數而引起的充電時間的曲線圖示出了這種情況的示例。可以看出，在時間t1處達到RC曲線504上的第一水平502。這是在2處於高電壓電平的時間長度中，即，當門118閉合時，從採樣電容112轉移到節點120的電荷量。如果開關156閉合的時間長度與開關118的不同，則可能有更多的電荷從反饋採樣電容148轉移到節點120。因此，通過上面所例示的實施例，並且確保波形2·A的上升沿220與下降沿222之間的時間基本上等於在前沿216處開始的脈衝2的長度，這將確保它們相對較好地平衡。
雖然已詳細描述了優選實施例，但是應當理解，此處，可以在不脫離所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，進行各種變化、替換和變型。
權利要求
1.一種用於驅動Δ-∑轉換器中的積分器的輸入的方法，該積分器具有放大器，其具有非反向輸入、輸出和連接到參考電壓的正輸入；以及積分電容，連接在非反向輸入與輸出之間，所述方法包括以下步驟以第一速率將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上；在第二時間以第一速率將電荷從輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入；以基本上第一速率將參考電壓採樣到反饋採樣電容上；以不同於第一速率的第二速率將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入；並且將從反饋採樣電容排放電荷的時間量控制為基本上等於從輸入採樣電容排放電荷的時間量，其中相對於第一速率變化第二速率改變了Δ-∑轉換器的增益。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述的以第一速率將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上以及將電荷從輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入的步驟包括以第一速率生成具有第一周期脈衝流的第一時鐘；生成具有第二周期脈衝流、並且在相位上與第一時鐘偏移並且與其同步的第二時鐘；在第一脈衝流為高的時間段中，將輸入電壓採樣到反饋採樣電容上；以及在第二脈衝流為高的時間段中，將電荷從輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入。
3.根據權利要求2所述的方法，其中第一周期脈衝流和第二周期脈衝流沒有交迭。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述的將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上的步驟包括在第一脈衝流為高的時間段中將輸入採樣電容的一個板極連接到輸入電壓並且將輸入採樣電容的另一板極接地的步驟；並且所述的將電荷從輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入的步驟包括在第二脈衝流為高的時間段中將輸入採樣電容的所述一個板極接地並且將輸入採樣電容的所述另一板極連接到放大器的非反向輸入的步驟。
5.根據權利要求2所述的方法，其中所述的將參考電壓採樣到反饋採樣電容上並且將存儲在反饋採樣電容上的電壓排放到放大器的非反向輸入的步驟包括以下步驟在第一脈衝流為高的時間段中將參考電壓採樣到反饋採樣電容上；以及在第二脈衝流為高的時間段中，按照與將參考電壓採樣到反饋採樣電容上的步驟不同的速率，將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述的將參考電壓採樣到反饋採樣電容上的步驟包括在第一脈衝流為高的時間段中將反饋採樣電容的一個板極連接到參考電壓並且將反饋採樣電容的另一板極接地的步驟；並且所述的將電荷從反饋採樣電容排放到放大器的非反向輸入的步驟包括在第二脈衝流為高的時間段中、按照與將參考電壓採樣到反饋採樣電容上的步驟不同的速率、將反饋採樣電容的所述一個板極接地並且反饋採樣電容的所述另一板極連接到放大器的非反向輸入的步驟。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述的將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入的步驟發生在第二脈衝流中的所選多個脈衝為高的時間段中，並且第二脈衝流中的、發生了所述的將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入的步驟的、多個脈衝的數目少於第二脈衝流中的所有脈衝。
8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括生成如下控制信號的步驟，該控制信號選擇第二脈衝流中的、將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入的所述多個脈衝。
9.一種用於驅動Δ-∑轉換器中的積分器的輸入的增益控制電路，該積分器具有放大器，其具有非反向輸入、輸出和連接到參考電壓的正輸入；以及積分電容，連接在非反向輸入與輸出之間，該增益控制電路包括輸入採樣電路，用於以第一速率將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上；第一排放電路，用於在第二時間以第一速率將電荷從所述輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入；反饋採樣電路，用於以基本上第一速率將參考電壓採樣到反饋採樣電容上；第二排放電路，用於以不同於第一速率的第二速率將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入；以及增益控制器，用於將從所述反饋採樣電容排放電荷的時間量控制為基本上等於從所述輸入採樣電容排放電荷的時間量，其中相對於第一速率變化第二速率改變了Δ-∑轉換器的增益。
10.根據權利要求9所述的增益控制電路，其中第一採樣電路和第一排放電路包括第一時鐘，用於以第一速率生成第一周期脈衝流；第二時鐘，用於生成在相位上與第一時鐘偏移並且與其同步的第二周期脈衝流；第一開關電路，用於在第一脈衝流為高的時間段中，將輸入電壓採樣到放大器的非反向輸入；以及第二開關電路，用於在第二脈衝流為高的時間段中，將電荷從所述輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入。
11.根據權利要求10所述的增益控制電路，其中所述第一周期脈衝流和第二周期脈衝流沒有交迭。
12.根據權利要求10所述的增益控制電路，其中所述第一開關電路包括第一開關，用於將所述輸入採樣電容的一個板極連接到輸入電壓；以及第二開關，用於在第一脈衝流為高的時間段中將所述輸入採樣電容的另一板極接地，並且所述第二開關電路包括第三開關，用於將所述輸入採樣電容的所述一個板極接地；以及第四開關，用於在第二脈衝流為高的時間段中將所述輸入採樣電容的所述另一板極連接到放大器的非反向輸入。
13.根據權利要求10所述的增益控制電路，其中第二採樣電路和所述第二排放電路包括第三開關電路，用於在第一脈衝流為高的時間段中將所述參考電壓採樣到放大器的非反向輸入；以及第二開關電路，用於在第二脈衝流為高的時間段中，按照與將參考電壓採樣到所述反饋採樣電容的速率不同的速率，將電荷從所述反饋採樣電容排放到放大器的非反向輸入。
14.根據權利要求13所述的增益控制電路，其中所述第三開關電路包括第五開關，用於將所述反饋採樣電容的一個板極連接到參考電壓；以及第六開關，用於在第一脈衝流為高的時間段中將所述反饋採樣電容的另一板極接地的步驟，並且所述第四開關電路包括第七開關，用於將所述反饋採樣電容的所述一個板極接地；以及第八開關，用於在第二脈衝流為高的時間段中、按照與將參考電壓採樣到所述反饋採樣電容的速率不同的速率、將所述反饋採樣電容的所述另一板極連接到放大器的非反向輸入。
15.根據權利要求14所述的增益控制電路，其中將存儲在所述反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入發生在第二脈衝流中的所選多個脈衝的時間段中，並且第二脈衝流中的、發生了將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入的、多個脈衝的數目少於第二脈衝流中的所有脈衝。
16.根據權利要求15所述的增益控制電路，進一步包括控制信號，該控制信號選擇第二脈衝流中的、將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入的所述多個脈衝。
全文摘要
用於Δ－∑模擬數字轉換器的增益控制。公開了一種用於驅動Δ－∑轉換器中的積分器的輸入的方法，該積分器具有放大器，其具有非反向輸入、輸出和連接到參考電壓的正輸入；以及積分電容，連接在非反向輸入與輸出之間。以第一速率將輸入電壓採樣到輸入採樣電容上，然後在第二時間以第一速率將電荷從輸入採樣電容排放到放大器的非反向輸入。以基本上第一速率將參考電壓採樣到反饋採樣電容上，並且以不同於第一速率的第二速率將存儲在反饋採樣電容上的電荷排放到放大器的非反向輸入。將從反饋採樣電容排放電荷的時間量控制為基本上等於從輸入採樣電容排放電荷的時間量，其中相對於第一速率變化第二速率改變了Δ－∑轉換器的增益。
文檔編號H03M3/02GK1998141SQ200580015500
公開日2007年7月11日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年3月31日
發明者道格拉斯·霍伯格, 卡·Y·裡昂 申請人:芯科實驗室有限公司