CN103746694B - 一种应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体和集成电路技术领域，具体为一种应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路。本发明的斜坡转换电路包括一个运算放大器、一对的采样电容、一对寄生平衡电容和六个开关。在第一步高位模数转换时，输入斜坡信号直接输出，同时被运算放大器和第一个采样电容采样和保持；在第二步低位模数转换时，输入斜坡信号输入到运算放大器正输入端，运算放大器将其正输入端的电压变化以增益为一的方式传递到第二个采样电容的浮空极板，并在此与第一步的保持电压进行叠加，作为斜坡转换电路的输出。本发明可以有效消除该类型模数转换器电压变化的传递过程中由寄生电容引起的增益误差，提高精度和速度。

Description

一种应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路

技术领域

本发明属于半导体和集成电路技术领域，具体涉及集成电路中的一种应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路。

背景技术

积分型模数转换器由于其结构简单、低功耗、高精度等特点，在低速领域具有非常明显的优势，特别是在多通道并行模数转换器应用方面，积分型模数转换器更是因其出色的各通道一致性而被广泛应用。但是传统的B位积分型模数转换器的转换时间为2^B个时钟周期，这个缺点限制了其精度的提高。因此积分型模数转换器从传统的一步式结构变为两步式结构，将转换时间与精度的关系由指数关系（2^B）变为指数相加的关系（2^M+2^N，其中M+N=B），从而缩短了转换时间。两步式结构又包括：两步式多斜坡单斜率结构、两步式多斜坡多斜率结构和两步式单斜坡单斜率结构。两步式单斜坡单斜率结构消除了多斜坡结构的匹配和功耗问题，因此可以在中高精度模数转换应用中，更有效地缩短转换时间。

在公知电路中，两步式单斜坡单斜率积分型模数转换器原理如图1所示，由传统的斜坡转换电路101、比较器102、锁存和加法器103、计数和控制器104、以及斜坡信号发生器105（通常用一个数模转换器实现）。转换过程分为高M位和低N位两步进行：第一步进行高位M位转换，计数和控制器104的高M位从零开始计数，斜坡信号发生器105输出阶梯斜坡信号，斜坡信号与模数转换器输入的待量化信号分别输入到比较器102的两个输入端，当比较器102输出翻转时，锁存和加法器103锁存此时计数和控制器104的值（m）,完成高位M转换；与此同时，传统的斜坡转换电路101采样并存储对应的斜坡信号。第二步进行低位N位转换，计数和控制器104的低位N从零开始计数，斜坡信号发生器105输出阶梯斜坡信号（其阶梯大小是第一步时的1/2^N），传统的斜坡转换电路101将此斜坡信号与第一步存储的电压值叠加后输入到比较器102的正端，比较器102再一次翻转时，锁存和加法器103锁存计数和控制器104的值（n），完成低N位转换，并计算出模数转换的结果D=2^Nm+n。

所述转换过程中，传统的斜坡转换电路101对整个模数转换器性能影响很大。首先，斜坡转换电路中开关S₁₁、S₁₂、S₁₃在开关转换时会有电荷注入和时钟馈通两个非理想因素，它会导致电压存储电路存储的电压与理想值出现偏差，从而影响模数转换器的性能。此问题可用已有公知的低位斜坡扩展的方法解决。其次，由于节点D存在寄生电容，它会导致第一步切换到第二步，以及第二步转换过程中，节点E电压变化传递到节点D时，电压变化的增益小于1；但此增益误差不存在于第一步转换中，最终造成模数转换器的非线性。由于当增益小于1时出现非单调，当增益大于1时出现失码，因此传统的斜坡转换电路101将造成模数转换器的非单调特性。

发明内容

针对上述两步式单斜坡单斜率积分型模数转换器的现有技术存在的问题，本发明提供一种斜坡转换电路，以解决两步式单斜坡单斜率积分型模数转换中，第一步切换到第二步，以及第二步操作时所引起的电压变化传递到斜坡转换电路输出的过程中，由于寄生电容而产生的增益误差的问题。

本发明提供的斜坡转换电路，如图3所示，包括：一个运算放大器A1、一对采样电容C_H1和C_H2 、一对寄生平衡电容C_M1和C_M2，六个开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆。输入斜坡信号一方面依次经过开关S₁和S₆连接到斜坡转换电路的输出端，另一方面通过开关S₂连接到运算放大器的正输入端；运算放大器的正输入端通过开关S₃与参考电平相连；运算放大器的负输入端，一方面通过开关S₄连接到运算放大器的输出端，另一方面依次经过第一采样电容C_H1和开关S₅，连接到运算放大器的输出端；运算放大器的输出端依次经过开关S₅和第二采样电容C_H2，连接到斜坡转换电路的输出端；第二采样电容C_H2的两个极板通过开关S₆相连；第一寄生平衡电容C_M1的一个极板接地，另一个极板与运算放大器的负输入端相连；第二寄生平衡电容C_M2的一个极板接地，另一个极板与斜坡转换电路的输出端相连。

上述方案中，两个采样电容匹配相等。两个寄生平衡电容具有大于或等于零的电容值，分别用于调节运算放大器负输入端（X）和斜坡转换电路输出端（A）的等效对地寄生电容，使上述两个节点（X和A）具有相等的对地电容。采样电容与对地电容之和称为总电容，上述两个节点（X和A）的总电容分别称为第一总电容和第二总电容。所以，第一总电容和第二总电容相等。

上述方案中，运算放大器与第一采样电容C_H1以及开关S₄和S₅构成了电容翻转结构的采样保持电路。运算放大器由开关S₂、S₃、S₄和S₅控制，在一个模数转换周期相继工作于采样模式、保持模式和跟随模式：在采样模式时，S₄导通，S₅关断，运算放大器负输入端与运算放大器输出端相连，第一采样电容C_H1的一个极板与运算放大器负输入端相连，另一个极板对输入斜坡信号进行采样；在保持模式和跟随模式时，S₄关断，S₅导通，第一采样电容C_H1的另一个极板与运算放大器输出端相连；运算放大器正输入端，在采样模式和保持模式时通过导通的S₃与参考电平相连，在跟随模式时通过导通的S₂与输入斜坡信号相连。

上述方案中，输入斜坡信号在斜坡转换电路中的输入方式由三个开关（S₁、S₂和S₆）进行控制：

（1）第一步高位模数转换开始时，S₁和S₆导通，S₂关断，输入斜坡信号连接到斜坡转换电路的输出，直接作为斜坡转换电路的输出信号；输入斜坡信号同时被第一采样电容C_H1采样；第二采样电容C_H2的两个极板被开关S₆短路到斜坡转换电路的输出。

（2）第一步高位模数转换的采样过程一直持续到输入斜坡信号恰好大于模数转换器的输入信号时结束，S₁和S₂均关断，输入斜坡信号不再输入到斜坡转换电路中；此时运算放大器进入保持模式，其输出保持电压为最后采样到的输入斜坡信号的电压值；第二采样电容C_H2在运算放大器输出建立稳定之后，两个极板间的开关S₆关断，其中一个极板与运算放大器输出端相连，另一个极板浮空并作斜坡转换电路的输出；此时第二采样电容C_H2两个极板的电压均为保持电压。

（3）第二步低位模数转换时，S₁关断，S₂导通，输入斜坡信号输入到运算放大器的正输入端，处于跟随模式的运算放大器将运算放大器正输入端的电压变化传递到运算放大器的输出端；根据电荷守恒原理，再进一步传递到第二采样电容C_H2的浮空极板上，并在此叠加到第一步保持电压上，作为斜坡转换电路的输出信号。

上述方案中，运算放大器正输入端的电压变化由以下两个操作产生：（1）当运算放大器从保持模式进入跟随模式时，正输入端由参考电平切换到第二步输入斜坡信号的初始电平；（2）当运算放大器工作于跟随模式时，第二步输入斜坡信号电压变化。

上述方案中，运算放大器正输入端的电压变化通过两个级联的传递函数传递到斜坡转换电路的输出端：（1）第一级是处于跟随模式的运算放大器将运算放大器正输入端的电压变化传递到运算放大器的输出端，第一级传递函数的增益等于第一总电容与第一采样电容之比；（2）第二级是运算放大器的输出电压变化传递斜坡转换电路的输出端，第二级传递函数的增益等于第二采样电容与第二总电容之比。由于上述两个采样电容和两个总电容分别相等，因此上述两级增益互为倒数；而两级增益相乘为总增益，所以上述斜坡转换电路的电压变化传递函数的总增益等于一。

上述方案在实现时，由于电容匹配等原因使上述两个采样电容和两个总电容分别存在电容值的偏差，但总增益仅决定于它们各自的相对偏差，这种相对偏差在集成电路实现时均可以控制在±1%左右，所以总增益仍然非常接近于一。

本发明的有益效果是可以有效地消除斜坡转换电路输入端的电压变化传递到输出端由于寄生电容而产生的增益误差，所述的电压变化是由第一步切换到第二步，以及第二步转换过程中的所引起的。同时，采样保持电路部分采用了传统电容翻转结构的采样保持电路，保留了其下极板采样时序，可以有效消除由于开关注入和馈通引入的非线性误差。基于以上改进效果，本发明可以有效地提高两步式积分型模数转换器的精度和速度。

附图说明

图1是公知的采用传统斜坡转换电路的两步式单斜坡单斜率积分型模数转换器原理图，其中虚线方框中为节点上由连线和负载引入的等效对地寄生电容。

图2是公知的用于控制传统斜坡转换电路的时序图。

图3是本发明的用于两步式单斜坡单斜率积分型模数转换器的斜坡转换电路。

图4是本发明的用于两步式单斜坡单斜率积分型模数转换器的斜坡转换电路，为了描述原理加入了虚线方框中节点上由连线和负载引入的等效对地寄生电容。

图5是本发明用于控制斜坡转换电路的时序图。

具体实施方式

为了便于理解，以下将结合具体的附图和实施方式对本发明进行详细地描述。需要指出的是，图3和图5仅是本发明的实施举例，本发明权利要求范围内的具体实施的形式和细节不限于图3和图5。对于任何熟知集成电路设计技术的人员，可知本发明所述图3和图5各例均可以根据本文说明，在本发明范围内作出各种不同的修正和变化，这些修正和变化也纳入本发明的范围内。

图1是公知的两步式积分型模数转换器的电路原理图，包括：传统的斜坡转换电路101、比较器102、锁存和加法器103、计数和控制器104、以及斜坡信号发生器105。图1中V_IN是待量化的输入信号，V_ramp,in是输入斜坡信号，V_ramp,out是输出斜坡信号，D<B-1,0>是输出B位数字码。三个开关在图2所示时序信号的控制下完成两步式转换。在两种情况下存在增益误差。第一种情况是，当第一步高位转换进行到输入斜坡信号恰好大于待量化的信号时，S₁₃关断，此时斜坡信号仍由S₁₁输入，引起节点D电压变化ΔV_D，从而节点E电压变化ΔV_E，由于节点E存在对地的寄生电容C_PE，将导致传递函数的增益小于1，表达如下：

。

第二种情况是，当第一步切换到第二步以及第二步低位转换时，节点E的电压变化ΔV_E引起节点D的电压变化ΔV_D，由于D点存在对地的寄生电容C_PD，将导致传递函数增益小于1，表达如下：

。

第一种情况在传统的斜坡转换电路中可以通过在关断S₁₃后立即关断S₁₁来避免，然而第二种情况产生的增益误差则无法只通过改变时序来消除。这种增益误差将导致模数转换结果出现非单调。另一方面，由于以上增益决定于电容的绝对值，而绝对值在集成电路实现时具有20%~30%的偏差，导致增益变化范围较大。本发明所述的斜坡转换电路将取代传统的斜坡转换电路101，解决上述增益误差的问题。

图3是本发明应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路的一种实施方式，图4是为了以下描述方便，在图3的基础上加入了虚线方框中节点上由于连线和（或）负载引入的等效对地寄生电容。斜坡转换电路包括：一个运算放大器A1，一对采样电容C_H1和C_H2，一对寄生平衡电容C_M1和C_M2，六个开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆。V_ramp,in是输入斜坡信号，V_ramp,out是输出斜坡信号。两个采样电容应匹配相等且标称值为C_H，即：C_H1=C_H2=C_H。一对寄生平衡电容（C_M1和C_M2）一端接地，另一端分别接于运算放大器的负输入端（X）和斜坡转换电路的输出端（A），用于调节如图4中的运算放大器负输入端（X）的等效对地寄生电容C_P1和斜坡转换电路输出端（A）的等效对地寄生电容C_P2，使上述两个节点具有相等的对地电容且标称值为C_P，即：C_P1+C_M1= C_P2+C_M2=C_P。采样电容与对地电容之和称为总电容（C_H+C_P），因此上述两个节点具有相同的总电容。

图5是适用于本发明斜坡转换电路时序的一种实施方式，用于控制图3中的六个开关，从而控制运算放大器的工作模式和输入斜坡信号的接入方式。一个模数转换周期由第一步高M位转换和第二步低N位转换组成；第一步高M位转换中运算放大器相继工作于采样模式和保持模式，第二步低N位转换中运算放大器工作于跟随模式。注意，S₆关断可以发生在保持电压建立稳定之后到保持模式结束之前的任何时刻。

根据图4和图5，本发明所述的斜坡转换电路消除增益误差的具体原理可描述如下。所述模数转换器的在第一步到第二步切换和第二步转换过程中引起运算放大器正输入端（B）的电压变化ΔV_B，被处于跟随模式的运算放大器传递到其输出端（Y），产生ΔV_Y，由于运算放大器负输入端（X）存在对地电容（C_P1+C_M1），则该传递函数的增益大于1，表示为：

。

根据电荷守恒原理，ΔV_Y将会继续传递所述斜坡转换电路的输出端，产生的电压变化为ΔV_A，由于采样电容（C_H2）浮空极板（A）存在对地电容（C_P2+C_M2），则该传递函数的增益小于1，表示为：

。

所以电压变化的传递函数的总增益为，

。

理想上，如上述C_H1=C_H2=C_H且C_P1+C_M1=C_P2+C_M2=C_P，因此两级增益就互为倒数，所以电压变化的总增益就是1。然而在实现过程中，由于电容匹配等原因分别存在微小偏差ΔC_H和ΔC_P，则总增益如下式所示：

。

由于ΔC_H/C_H和ΔC_P/C_P是相对偏差，在集成电路实现时均可以控制在±1%左右，所以总增益仍然非常接近于1。

Claims (5)

1.一种应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路，其特征在于包括：一个运算放大器（A1）、一对采样电容（C_H1和C_H2）、一对寄生平衡电容（C_M1和C_M2）和六个开关（S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆）；输入斜坡信号一方面依次经过第一开关（S₁）和第六开关（S₆）连接到斜坡转换电路的输出端，另一方面通过第二开关（S₂）连接到运算放大器的正输入端；运算放大器的正输入端通过第三开关（S₃）与参考电平相连；运算放大器的负输入端，一方面通过第四开关（S₄）连接到运算放大器的输出端，另一方面依次经过第一采样电容（C_H1）和第五开关（S₅），连接到运算放大器的输出端；运算放大器的输出端依次经过第五开关（S₅）和第二采样电容（C_H2），连接到斜坡转换电路的输出端；第二采样电容（C_H2）的两个极板通过第六开关（S₆）相连；第一寄生平衡电容（C_M1）的一个极板接地，另一个极板与运算放大器的负输入端相连；第二寄生平衡电容（C_M2）的一个极板接地，另一个极板与斜坡转换电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路，其特征在于：

两个采样电容匹配相等；两个寄生平衡电容分别用于调节运算放大器负输入端的等效对地寄生电容和斜坡转换电路输出端的等效对地寄生电容，使所述输入端和所述输出端具有相等的对地电容；采样电容与对地电容之和称为总电容，上述输入端和输出端的总电容分别称为第一总电容和第二总电容；所以第一总电容和第二总电容相等。

3.根据权利要求1所述的应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路，其特征在于：第一步高位模数转换开始时，输入斜坡信号通过开关直接连到斜坡转换电路的输出，同时输入斜坡信号被第一采样电容采样，第二采样电容的两个极板被开关短路到斜坡转换电路的输出。

4.根据权利要求3所述的应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路，其特征在于：输入斜坡信号在斜坡转换电路中的输入方式由第一、第二和第六（S₁、S₂和S₆）三个开关进行控制：

（1）第一步高位模数转换开始时，第一开关（S₁）和第六开关（S₆）导通，第二开关（S₂）关断，输入斜坡信号连接到斜坡转换电路的输出，直接作为斜坡转换电路的输出信号；输入斜坡信号同时被第一采样电容（C_H1）采样；第二采样电容（C_H2）的两个极板被第六开关（S₆）短路到斜坡转换电路的输出；

（2）第一步高位模数转换的采样过程一直持续到输入斜坡信号恰好大于模数转换器的输入信号时结束，第一开关（S₁）和第二开关（S₂）均关断，输入斜坡信号不再输入到斜坡转换电路中；此时运算放大器进入保持模式，其输出保持电压为最后采样到的输入斜坡信号的电压值；第二采样电容（C_H2）在运算放大器输出建立稳定之后，两个极板间的第六开关（S₆）关断，其中一个极板与运算放大器输出端相连，另一个极板浮空并作斜坡转换电路的输出；此时第二采样电容（C_H2）两个极板的电压均为保持电压；

（3）第二步低位模数转换时，第一开关（S₁）关断，第二开关（S₂）导通，输入斜坡信号输入到运算放大器的正输入端，此时运算放大器处于跟随模式，运算放大器将运算放大器正输入端的电压变化传递到运算放大器的输出端；根据电荷守恒原理，再进一步传递到第二采样电容（C_H2）的浮空极板上，并在此叠加到第一步保持电压上，作为斜坡转换电路的输出信号。

5.根据权利要求2或4所述的应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路，其特征在于：运算放大器正输入端的电压变化通过两个级联的传递函数传递到斜坡转换电路的输出端：

（1）第一级是处于跟随模式的运算放大器将运算放大器正输入端的电压变化传递到运算放大器的输出端，第一级传递函数的增益等于第一总电容与第一采样电容之比；

（2）第二级是运算放大器输出端的电压变化传递斜坡转换电路的输出端，第二级传递函数的增益等于第二采样电容与第二总电容之比；

由于上述两个采样电容和两个总电容分别相等，上述两级增益互为倒数；而两级增益相乘为总增益，所以上述斜坡转换电路的电压变化传递函数的总增益等于一。