一種基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，屬于模擬集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】。包括時鐘倍頻模塊、采樣保持電路、基于壓控振蕩器的量化器、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述基于壓控振蕩器的量化器包括差分輸入的壓控振蕩器和計數(shù)器，差分輸入的壓控振蕩器有正負(fù)兩個輸入端和一個輸出端，正輸入端連接采樣信號，負(fù)輸入端連接比較基準(zhǔn)信號，輸出端連接計數(shù)器，經(jīng)計數(shù)器量化完成的高低邏輯電平傳送給逐次逼近寄存器。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器擁有高分辨率但低采樣速率的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速量化，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)帶寬，在采樣頻率下實現(xiàn)高分辨率的量化，可用于高速，高精度模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換中。
【專利說明】一種基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于模擬集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采用壓控振蕩器作為量化器的 逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及計算機(jī)在自動檢測和自動控制中的廣泛應(yīng)用，利用 數(shù)字電子計算機(jī)所處理和傳送的都是不連續(xù)的數(shù)字信號，而實際中遇到的大多是連續(xù)變化 的模擬量，模擬量經(jīng)過傳感器采集轉(zhuǎn)換成為電信號的模擬量后，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù) 字信號，輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的 橋梁，是當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
[0003] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)系統(tǒng)帶寬和采樣頻率的關(guān)系可分為奈奎斯特型和過采樣型。采 樣頻率為系統(tǒng)帶寬的兩倍則為奈奎斯特型，采樣頻率大于系統(tǒng)帶寬兩倍以上的則為過采樣 型。逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器就屬于奈奎斯特型，其采樣頻率為系統(tǒng)帶寬的兩倍，逐次 逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率一般為8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特點(diǎn)，廣泛應(yīng) 用于電池供電儀表、筆輸入量化器、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號采集等領(lǐng)域。
[0004] 傳統(tǒng)的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般采用帶運(yùn)放結(jié)構(gòu)的比較器作為量化 器，比較采樣信號與基準(zhǔn)信號的電壓大小來產(chǎn)生量化輸出。為了達(dá)到較高的量化精度，比較 器中的運(yùn)放需要提供足夠大的增益，然而高增益高速運(yùn)放設(shè)計難度非常大，這使得高帶寬 高精度逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計比較困難。所以，逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換 器中比較器的設(shè)計是精度與速度的折中，高量化精度的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)化器則會 有較低的速度。因此，設(shè)計出一種具有高精度、高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用壓控振蕩器產(chǎn)生頻率信號，通過對頻率信號的計數(shù)來獲得量化結(jié)果， 可以實現(xiàn)高精度、高速的模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括時鐘倍頻模塊、 采樣保持電路、量化器、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述量化器為基于 壓控振蕩器的量化器，所述基于壓控振蕩器的量化器包括差分輸入的壓控振蕩器和計數(shù) 器，差分輸入的壓控振蕩器有正負(fù)兩個輸入端和一個輸出端，正輸入端連接米樣信號VIN， 負(fù)輸入端連接比較基準(zhǔn)信號VC0MP，輸出端連接計數(shù)器，經(jīng)過計數(shù)器量化完成的高低邏輯電 平傳送給逐次逼近寄存器。
[0008] 其中，所述差分輸入的壓控振蕩器的輸入端即為基于壓控振蕩器的量化器的輸入 端，其正輸入端連接采樣信號，負(fù)輸入端連接比較基準(zhǔn)信號，輸出端連接計數(shù)器，輸出端輸 出只有高低兩種頻率的頻率信號，所述差分輸入的壓控振蕩器接收兩個輸入信號（采樣信 號和比較基準(zhǔn)信號），產(chǎn)生頻率信號傳送給級聯(lián)的計數(shù)器。
[0009] 所述計數(shù)器含有輸入端、輸出端和時鐘控制端，輸入端接收差分輸入的壓控振蕩 器輸出的頻率信號，輸出端輸出量化后的高低邏輯電平，時鐘控制端接收系統(tǒng)的量化時鐘 CLK，作為時鐘控制，計數(shù)器的輸出端即為基于壓控振蕩器的量化器的輸出端。
[0010] 進(jìn)一步地，所述差分輸入的壓控振蕩器通過比較輸入的采樣信號VIN和比較基準(zhǔn) 信號VC0MP，產(chǎn)生高低兩種頻率的頻率信號VREF并輸出：如果采樣信號大于或等于比較基 準(zhǔn)信號，壓控振蕩器輸出高頻率信號；如果采樣信號小于比較基準(zhǔn)信號，壓控振蕩器輸出低 頻率信號。所述差分輸入的壓控振蕩器只有高低兩種頻率信號的輸出，且滿足如下關(guān)系：
[0011] Fh = fO+a*Kvco (1)
[0012] FI = f〇-b*Kvco (2)
[0013] 其中，F(xiàn)h為高頻率信號，F(xiàn)I為低頻率信號，fO為自由震蕩頻率，Kvco為壓控振蕩 器的線性增益系數(shù)，a和b為大于零的增益倍增因子。
[0014] 進(jìn)一步地，所述計數(shù)器通過對頻率信號的計數(shù)，判斷頻率信號的高低，輸出相應(yīng)的 高低邏輯電平。所述計數(shù)器在量化時鐘上升沿到來時，接收輸入的頻率信號并開始計數(shù)，由 于增益倍增因子，可使得壓控振蕩器輸出的高頻率信號遠(yuǎn)大于量化時鐘頻率，輸出的低頻 率信號小于量化時鐘頻率，故若計數(shù)器計數(shù)大于或等于1，則VIN > VC0MP，輸出高電平，VIN 量化為1 ;若計數(shù)器計數(shù)小于1，則VIN〈VC0MP，輸出低電平，VIN量化為0。
[0015] 進(jìn)一步地，所述時鐘倍頻模塊的輸入端接收采樣保持時鐘CLKS，輸出量化時鐘 CLK。采樣保持時鐘CLKS連接采樣保持電路的時鐘控制端，量化時鐘CLK連接基于壓控振 蕩器的量化器、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的時鐘控制端。模擬輸入信號連接采樣保 持電路的輸入端，采樣保持電路的輸出端連接基于壓控振蕩器的量化器的正輸入端，基于 壓控振蕩器的量化器的輸出端連接逐次逼近寄存器的輸入端，逐次逼近寄存器的輸出端連 接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接基于壓控振蕩器的量化器的負(fù)輸入 端，形成回路。逐次逼近寄存器的數(shù)據(jù)輸出端輸出數(shù)據(jù)編碼。
[0016] 基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程為：首先， 采樣保持時鐘CLKS經(jīng)過時鐘倍頻模塊產(chǎn)生一個頻率更高的量化時鐘CLK，采樣保持電路由 采樣保持時鐘CLKS提供控制時鐘，基于壓控振蕩器的量化器、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路由量化時鐘CLK來進(jìn)行控制；模擬輸入信號經(jīng)采樣保持電路采樣獲得采樣信號VIN，采 樣信號VIN連接基于壓控振蕩器的量化器的正輸入端，經(jīng)量化獲得邏輯電平輸出，邏輯電 平是由信號VIN與比較基準(zhǔn)信號VC0MP比較量化獲得；逐次逼近寄存器接收邏輯電平并由 邏輯控制電路進(jìn)行控制，在每一個量化周期，逐次逼近寄存器輸出數(shù)字控制邏輯到數(shù)模轉(zhuǎn) 換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路接收數(shù)字控制邏輯并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生新的比較基準(zhǔn)信號反饋到量 化器負(fù)輸入端，進(jìn)行下一次的比較量化。在一個采樣周期結(jié)束后，逐次逼近寄存器輸出一個 N位二進(jìn)制碼字。具體地，一個采樣周期，逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行N次量化，每次 量化決定二進(jìn)制碼字的一個權(quán)位，由高到低逐次確定。
[0017] 本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)簡單，其速度與模擬電路相比有大幅度的提高；壓控振蕩器的輸出頻 率高，可達(dá)到上百兆，同時產(chǎn)生的最高頻率信號與最低頻率信號的頻率差值可以設(shè)計得很 大，即使計數(shù)器計數(shù)稍微出現(xiàn)偏差對輸出基本沒有影響，因而不需要精度要求很高的計數(shù) 器；同時，由于頻率信號的頻率高，計數(shù)器的計數(shù)時間很短，即量化速度很快，因此，系統(tǒng)帶 寬得以有很大的拓展，可遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的采用比較器作為量化器的結(jié)構(gòu)；逐次逼近寄存器型 模數(shù)轉(zhuǎn)換器屬于奈奎斯特型，采樣頻率為系統(tǒng)帶寬的兩倍，本發(fā)明采樣頻率最高可以達(dá)到 百兆，而傳統(tǒng)的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率一般只有十幾兆。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明的基于壓控振蕩器的量化器的模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明的逐次逼近寄存器的模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖5為本發(fā)明實施例中量化位數(shù)為4的行為級仿真時域波形圖。
[0023] 圖6為本發(fā)明實施例中量化位數(shù)為4的行為級仿真信號頻譜圖。
[0024] 圖7為本發(fā)明實施例中量化位數(shù)為12的行為級仿真時域波形圖。
[0025] 圖8為本發(fā)明實施例中量化位數(shù)為12的行為級仿真信號頻譜圖。

【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹：
[0027] 附圖1為本發(fā)明提供的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖，包括時鐘倍頻 模塊、采樣保持電路、基于壓控振蕩器的量化器（VC0量化器）、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路，所述時鐘倍頻模塊的輸入端接收采樣保持時鐘CLKS，輸出量化時鐘CLK。采樣保持時 鐘CLKS連接采樣保持電路的時鐘控制端，量化時鐘CLK連接基于壓控振蕩器的量化器、逐 次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的時鐘控制端。模擬輸入信號連接采樣保持電路的輸入端， 采樣保持電路的輸出端連接基于壓控振蕩器的量化器的正輸入端，基于壓控振蕩器的量化 器的輸出端連接逐次逼近寄存器的輸入端，逐次逼近寄存器的輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的 輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接基于壓控振蕩器的量化器的負(fù)輸入端，形成回路。
[0028] 附圖2為本發(fā)明中基于壓控振蕩器的量化器的模塊結(jié)構(gòu)圖，基于壓控振蕩器的量 化器包括差分輸入的壓控振蕩器（VC0)和計數(shù)器，差分輸入的壓控振蕩器（VC0)有正負(fù)兩 個輸入端和一個輸出端，正輸入端連接采樣信號VIN，負(fù)輸入端連接比較基準(zhǔn)信號VC0MP， 輸出端連接計數(shù)器，經(jīng)過計數(shù)器量化完成的高低邏輯電平傳送給逐次逼近寄存器。
[0029] 逐次逼近寄存器包括邏輯控制電路和移位寄存器，如圖3所示。邏輯控制電路接 收量化器輸出的邏輯電平，并根據(jù)接收的邏輯電平對移位寄存器進(jìn)行置位、存儲、移位與輸 出操作。其控制過程如下：逐次逼近寄存器首先確定輸出碼字的最高權(quán)重位，控制邏輯電路 先置移位寄存器的最高權(quán)重位為1，其余權(quán)重位為0。若接收到的邏輯電平為高電平，則保 持最高權(quán)重位為1不變，若接收到的邏輯電平為低電平，則將最高權(quán)重位置位0,這就完成 了最高權(quán)重位的確定；然后，將次高權(quán)重位置為1，其余權(quán)重位為0,并將與最高權(quán)重位組成 的碼字加到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路上，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出新的比較基準(zhǔn)電壓信號VC0MP與采樣信號 VIN進(jìn)行第二次比較量化，若接收到的邏輯電平為高電平，則次高權(quán)重位依然為1，若接收 到的邏輯電平為低電平，則次高權(quán)重位置為〇 ;每次量化確定一位數(shù)據(jù)的值，并將下一位數(shù) 據(jù)的值設(shè)為1，其余未被確定的位上的值為〇,此時寄存器中輸出的數(shù)字控制邏輯數(shù)據(jù)B N_i 到^傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中，來控制產(chǎn)生新的比較基準(zhǔn)信號；按照上述過程進(jìn)行N次比較 量化，直至所有N位都被逐次確定下來，則這個采樣周期的量化過程完成，寄存器輸出N位 的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
[0030] 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路包括電容陣列和開關(guān)，電容陣列按存儲的電荷二元劃分，如圖4所 示。由逐次逼近寄存器中輸出的數(shù)字控制邏輯控制開關(guān)閉合，控制對應(yīng)電容的充放電。電 容的大小與數(shù)字控制邏輯的數(shù)據(jù)位對應(yīng)關(guān)系如下：數(shù)據(jù)&對應(yīng)的開關(guān)為Si，控制電容q充 放電，該電容大小為，如最高權(quán)重位B N_i，控制開關(guān)SN_i，對應(yīng)的電容CN_i大小為，其 中Q為最低權(quán)重位對應(yīng)的電容大小。為防止電容向電阻負(fù)載放電，輸出端加上緩沖器的結(jié) 構(gòu)。其操作過程如下：在開始量化之前，所有開關(guān)接地，電容陣列全部放電；然后量化開始， 由逐次逼近寄存器的數(shù)據(jù)B N_i到仏控制開關(guān)連接方式，對應(yīng)位為1的電容與VREF相連，對 應(yīng)位為〇的電容接地，此時輸出的是新的比較基準(zhǔn)電壓信號VC0MP。比較基準(zhǔn)電壓VC0MP的 大小由下式?jīng)Q定：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括時鐘倍頻模塊、采 樣保持電路、量化器、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述量化器為基于壓 控振蕩器的量化器，所述基于壓控振蕩器的量化器包括差分輸入的壓控振蕩器和計數(shù)器， 差分輸入的壓控振蕩器有正負(fù)兩個輸入端和一個輸出端，正輸入端連接米樣信號VIN，負(fù)輸 入端連接比較基準(zhǔn)信號VCOMP，輸出端連接計數(shù)器，經(jīng)過計數(shù)器量化完成的高低邏輯電平傳 送給逐次逼近寄存器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特 征在于，所述差分輸入的壓控振蕩器的輸入端即為基于壓控振蕩器的量化器的輸入端，其 正輸入端連接采樣信號，負(fù)輸入端連接比較基準(zhǔn)信號，輸出端連接計數(shù)器，輸出端輸出只有 高低兩種頻率的頻率信號，所述差分輸入的壓控振蕩器接收兩個輸入信號，產(chǎn)生頻率信號 傳送給級聯(lián)的計數(shù)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其 特征在于，所述計數(shù)器含有輸入端、輸出端和時鐘控制端，輸入端接收差分輸入的壓控振蕩 器輸出的頻率信號，輸出端輸出量化后的高低邏輯電平，時鐘控制端接收系統(tǒng)的量化時鐘 CLK，作為時鐘控制，計數(shù)器的輸出端即為基于壓控振蕩器的量化器的輸出端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特 征在于，所述差分輸入的壓控振蕩器通過比較輸入的采樣信號VIN和比較基準(zhǔn)信號VCOMP， 產(chǎn)生高低兩種頻率的頻率信號VREF并輸出：如果采樣信號大于或等于比較基準(zhǔn)信號，壓控 振蕩器輸出高頻率信號；如果采樣信號小于比較基準(zhǔn)信號，壓控振蕩器輸出低頻率信號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特 征在于，所述計數(shù)器通過對頻率信號的計數(shù)，判斷頻率信號的高低，輸出相應(yīng)的高低邏輯電 平：若計數(shù)器計數(shù)大于或等于1，則VIN > VCOMP，輸出高電平，VIN量化為1 ;若計數(shù)器計數(shù) 小于1，則VIN〈VCOMP，輸出低電平，VIN量化為0。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特 征在于，所述時鐘倍頻模塊的輸入端接收采樣保持時鐘CLKS，輸出量化時鐘CLK，采樣保持 時鐘CLKS連接采樣保持電路的時鐘控制端，量化時鐘CLK連接基于壓控振蕩器的量化器、 逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的時鐘控制端；模擬輸入信號連接采樣保持電路的輸入 端，采樣保持電路的輸出端連接基于壓控振蕩器的量化器的正輸入端，基于壓控振蕩器的 量化器的輸出端連接逐次逼近寄存器的輸入端，逐次逼近寄存器的輸出端連接數(shù)模轉(zhuǎn)換電 路的輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接基于壓控振蕩器的量化器的負(fù)輸入端，形成回路， 逐次逼近寄存器的數(shù)據(jù)輸出端輸出數(shù)據(jù)編碼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓控振蕩器量化的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特 征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程為：首先，采樣保持時鐘CLKS經(jīng)過時鐘倍頻模塊 產(chǎn)生一個頻率更高的量化時鐘CLK，采樣保持電路由采樣保持時鐘CLKS提供控制時鐘，基 于壓控振蕩器的量化器、逐次逼近寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路由量化時鐘CLK來進(jìn)行控制；模 擬輸入信號經(jīng)采樣保持電路采樣獲得采樣信號VIN，采樣信號VIN連接基于壓控振蕩器的 量化器的正輸入端，經(jīng)量化獲得邏輯電平輸出，邏輯電平是由信號VIN與基準(zhǔn)信號VCOMP比 較量化獲得；逐次逼近寄存器接收邏輯電平并由邏輯控制電路進(jìn)行控制，在每一個量化周 期，逐次逼近寄存器輸出數(shù)字控制邏輯到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路接收數(shù)字 控制邏輯并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生新的比較基準(zhǔn)電壓反饋到量化器負(fù)輸入端，進(jìn)行下一次的比較量化； 在一個采樣周期結(jié)束后，逐次逼近寄存器輸出一個N位二進(jìn)制碼字。
【文檔編號】H03M1/38GK104158545SQ201410401249
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】劉洋, 陳劍釗, 鄒昱, 徐振濤, 榮麗梅, 于奇 申請人:電子科技大學(xué)