[发明专利]一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器

说明书

技术领域

本发明涉及模拟电路和混合信号电路领域，特别是涉及一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器。

背景技术

在无线通信前端电路中，模数转换器(ADC)是一个重要的模块，它负责把射频前端电路输出的模拟信号转换成数字信号传递给后面的数字后端进行信号处理。衡量模数转换器的指标主要有带宽(速度)、精度和功耗。过采样模数转换器是模数转换器中一种重要的结构，由环路滤波器、量化器和反馈数模转换器构成，近年来其应用已经从开始的音频领域扩展到通信领域。连续时间过采样模数转换器和其他类型模数转换器相比具有内生的抗混叠滤波功能，可以降低前端滤波器功耗。过采样模数转换器的带宽由采样速率(Fs)和过采样率(over-sampling ratio，OSR)共同确定；过采样模数转换器的精度由过采样率OSR、量化比特数B和噪声整形阶数L共同决定。

由于价格优势和便于大规模集成，现代集成电路(IC)主要由互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现。CMOS工艺的一个重要特征就是其工艺节点在不断更新。在这个工艺特征尺寸缩减过程中，数字电路可以达到更高的工作频率(速度)和更低的功耗。为了减小面积和降低成本，现代通信芯片普遍采用片上系统(SoC)方案。在SoC中，模数转换器等模拟和混合信号电路需要和大量的数字电路、存储器生产在同一个晶片上。这使得其中的模数转换器面临着以下问题：第一,电路中信号可以利用的电压空间越来越小，信号幅度越来越小,开关电容电路中开关的导通电阻和其非线性都会增大。第二，放大器的本征增益会减小，而且很多提升放大器增益的技术受电源电压的限制不能应用到放大器的设计中。

为了解决上述模数转换器设计面临的问题，同时也为了利用工艺更新降低模数转换器功耗，近年来流行的趋势是把量化器和模数转换器的功能实现分别从电压域和模拟域转到时间域和数字域，一种技术是采用基于压控振荡器(VCO)的量化器。基于压控振荡器的量化器能够提供额外的一阶噪声整形，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性，但是压控振荡器中电压-频率传输函数的非线性是限制其性能的瓶颈。由于基于压控振荡器的量化器只能提供一阶噪声整形，为了实现二阶以上噪声整形的过采样模数转换器，还需要引入模拟积分器和反馈数模转换器(DAC)形成反馈环路。其中的模拟积分器，尤其是前端的模拟积分器是限制过采样模数转换器精度和速度的主要瓶颈，并且消耗了过采样模数转换器大部分的功耗。如何在二阶以上过采样模数转换器中消除模拟积分器是达到低功耗设计的关键和难点所在。

美国麻省理工学院的研究团队提出了不需要计数器的基于压控振荡器的量化器并且把它应用到一个三阶5bit量化的连续时间闭环过采样模数转换器中。压控振荡器的非线性被过采样模数转换器中的模拟环路滤波器抑制。该量化器的输出具有内生的动态元件匹配特性，这使得反馈数模转换器的匹配要求大幅度下降。现在电荷泵在模数转换器中的应用主要集中在流水线型模数转换器设计上，其中电荷泵用来替代高功耗的运算放大器。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，以简单的、低功耗的结构代替结构复杂、高功耗的模拟积分器，并能获得较好的精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电荷泵和压控振荡器的过采样模数转换器，包括：

第一异步脉宽调制器和电荷泵，用于作为可以直接处理模拟信号的一阶低通滤波器，其中所述第一异步脉宽调制器将模拟输入信号转换成只有两个电平可以直接驱动所述电荷泵的脉冲信号，信息存储在所述脉冲信号的脉宽上；

第二异步脉宽调制器和基于压控振荡器的量化器，用于形成一个线性的、带有一阶噪声整形功能的量化器，并且其数字输出具有内生的动态元件匹配特性；

数模转换器，用于将过采样模数转换器的数字输出转换回模拟信号；

其中所述第一异步脉宽调制器、所述电荷泵、所述第二异步脉宽调制器、所述基于压控振荡器的量化器依次连接在前向通道上，所述数模转换器连接在反馈通道上，所述数模转换器转换的模拟信号与第一异步脉宽调制器输出信号、电荷泵输出信号分别相减得到的误差信号送至所述电荷泵和所述第二异步脉宽调制器，形成闭环系统。

进一步地：

可以通过配置第一异步脉宽调制器、电荷泵和数模转换器的数量从而构成为三阶以上的过采样模数转换器。

所述电荷泵为差分结构，优选为全差分结构，以避免第一异步脉宽调制器的非理想因素对电荷泵自身电路滤波效果的影响。