模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置包括：接收模擬輸入信號(hào)的放大器，連接到放大器的輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端和放大器的輸入端之間的帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括：將模擬輸入信號(hào)輸入到放大器放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，同時(shí)，該數(shù)字輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路反饋到放大器的輸入端。本發(fā)明能保證模擬輸入信號(hào)幅度在一個(gè)大的變化范圍內(nèi)，輸出最大而不失真的數(shù)字信號(hào)，具有高線(xiàn)性度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電子通訊領(lǐng)域使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，還涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]模數(shù)轉(zhuǎn)換器在電子及通訊領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)變換成數(shù)字電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器存在一個(gè)應(yīng)用和實(shí)際上的限制，即:當(dāng)輸入模擬信號(hào)幅度大時(shí)，輸出的數(shù)字信號(hào)會(huì)出現(xiàn)失真從而限制和縮小了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。作為一個(gè)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器或方法，Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Σ AADC)在近20年得到了極其廣泛地應(yīng)用，比如每一個(gè)手機(jī)里都有3個(gè)以上的Σ AADC0高精度的Σ AADC需要高階回路或高速時(shí)鐘，高速時(shí)鐘功耗大、設(shè)計(jì)難度高、產(chǎn)品合格率低、工藝要求高(見(jiàn)Z.M.Shi, (Invited), "Sigma-DeltaADC and DAC for Digital Wireless Communicat1n”，Proc.1EEE Rad1 FrequencyIntegrated Circuits Symposium, p57, 1999)、高階穩(wěn)定性差。Σ Δ ADC 在正常工作時(shí)輸出交替密度隨信號(hào)而變的“O”和“ I ”，例如模擬信號(hào)變大時(shí)，會(huì)輸出更多的的“ I ”，模擬信號(hào)變小時(shí)，會(huì)輸出更多的“O”。但是高階Σ AADC不容易穩(wěn)定，其不穩(wěn)定時(shí)會(huì)輸出很多連續(xù)的“O”或“ I ”，這些連續(xù)的“O”和“ I ”并不真實(shí)反映信號(hào)變小或變大，造成模數(shù)轉(zhuǎn)換的誤差。高階Σ AADC的穩(wěn)定性是業(yè)界長(zhǎng)期研究的疑難課題之一。
[0003]在實(shí)際應(yīng)用中，模擬信號(hào)需經(jīng)前置放大器放大然后給模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為輸入信號(hào)。能保證模擬輸入信號(hào)幅度在一個(gè)大的變化范圍內(nèi)，輸出最大而不失真的數(shù)字信號(hào)的高線(xiàn)性度的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置是理想和實(shí)際系統(tǒng)所追求的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述失真問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。
[0005]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，包括:接收模擬輸入信號(hào)的放大器，連接到放大器的輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端和放大器的輸入端之間的帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路。
[0006]進(jìn)一步，所述放大器包括運(yùn)算放大器和第一電阻RO和第二電阻Rl，第一電阻RO連接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間，第二電阻Rl —端連接所述模擬輸入信號(hào)，另一端連接所述運(yùn)算放大器的輸入端。
[0007]進(jìn)一步，所述負(fù)反饋回路包括第三電阻R2，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端通過(guò)第三電阻R2連接到所述放大器的輸入端。
[0008]進(jìn)一步，第二電阻Rl和第三電阻R2為可調(diào)電阻。
[0009]進(jìn)一步，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為Sigma-Delta數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0010]進(jìn)一步，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用同一時(shí)鐘信號(hào)。
[0011 ] 進(jìn)一步，本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置還包括低通濾波器，低通濾波器的輸入端連接運(yùn)算放大器的輸入端，輸出端連接運(yùn)算放大器的輸出端。
[0012]進(jìn)一步，所述放大器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為單端結(jié)構(gòu)或差分結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，包括:將模擬輸入信號(hào)輸入到放大器放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，該數(shù)字輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路反饋到放大器的輸入端。
[0014]本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換方法能保證模擬輸入信號(hào)幅度在一個(gè)大的變化范圍內(nèi)，輸出最大而不失真的數(shù)字信號(hào)，具有高線(xiàn)性度。
[0015]本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置還特別適用于芯片集成。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的一實(shí)施例的原理圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的另一實(shí)施例的原理圖；
[0018]圖3為本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的又一實(shí)施例的原理圖；
[0019]圖4為圖3所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的低頻應(yīng)用中的輸出頻譜實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1示出了本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的一個(gè)實(shí)施例的原理圖。該模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置包括順序連接的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的負(fù)反饋回路。所述放大器由運(yùn)算放大器OPA和第一電阻R0、第二電阻Rl構(gòu)成。第一電阻RO連接在運(yùn)算放大器OPA兩端。第二電阻Rl —端接模擬輸入信號(hào)AVi,另一端連接第一電阻R0。運(yùn)算放大器OPA的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸入端，模擬輸入信號(hào)AVi經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器OPA放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)DVo。同時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸出端連接到所述帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的負(fù)反饋回路，所述負(fù)反饋回路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和第三電阻R2組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的輸出端連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的輸出端通過(guò)第三電阻R2連接到運(yùn)算放大器OPA的輸入端。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC可連接到同一時(shí)鐘信號(hào)源，即共享時(shí)鐘信號(hào)CLK。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC可以均為Σ AADC和Σ Λ DAC，但本發(fā)明不局限于Σ Λ ADC和Σ ADAC0
[0021]模擬輸入信號(hào)AVi經(jīng)所述運(yùn)算放大器OPA放大后為模擬輸出信號(hào)AVol。電阻RO/Rl的比值決定了放大器的增益。假如沒(méi)有負(fù)反饋回路:
[0022]AVol=- (R0/R1) AVi 方程 I
[0023]放大后的模擬輸出信號(hào)AVol經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC變換成數(shù)字輸出信號(hào)DVo。數(shù)字輸出信號(hào)DVo經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)AVo2。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC是同等精度時(shí)，AVo2與AVol等同:
[0024]AVo2=AVol 方程 2
[0025]當(dāng)有負(fù)反饋回路時(shí)，模擬信號(hào)AVo2經(jīng)第三電阻R2輸入給運(yùn)算放大器0ΡΑ，在這樣的負(fù)反饋環(huán)路下，放大器的增益變?yōu)?
[0026]AVol/AVi=-(R0/R1) / (1+R0/R2)方程 3
[0027]由此可見(jiàn)，由于閉環(huán)負(fù)反饋，系統(tǒng)增益變小而且受R2控制，從而數(shù)字輸出信號(hào)DVo的幅度得到控制。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為Σ AADC時(shí)且失控而不穩(wěn)定時(shí)，其輸出的連續(xù)的“O”或“I”會(huì)導(dǎo)致數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出大幅度的信號(hào)，但是負(fù)反饋回路使得數(shù)字輸出信號(hào)DVo幅度受控，而且，負(fù)反饋回路減小了信號(hào)的失真，提高了系統(tǒng)的線(xiàn)性度。
[0028]此發(fā)明解決了在模轉(zhuǎn)數(shù)裝置或系統(tǒng)中在輸入信號(hào)幅度大范圍變化的情況下，保證數(shù)字輸出信號(hào)DVo不失真和高階Σ AADC不穩(wěn)定的雙重難題。
[0029]圖2本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的另一實(shí)施例的原理圖，其帶可變?cè)鲆娣糯笃?。與圖1所示的實(shí)施例的區(qū)別是，電阻Rl和R2是可變的或可被數(shù)控或編程。這樣的帶可變?cè)鲆娣糯笃鞯哪?shù)轉(zhuǎn)換裝置可在不同設(shè)定的增益下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。
[0030]圖3本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的又一實(shí)施例的原理圖，其帶有濾波器。與圖2所示的實(shí)施例的區(qū)別是，其具有低通濾波器。在圖中顯示了 Rl、R0、CO、運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源低通濾波器。
[0031 ] f3dB=l/(2 π R0C0)方程 4
[0032]模擬輸入信號(hào)被放大并被低通濾波器濾波。通常模數(shù)轉(zhuǎn)換器是過(guò)采樣的，尤其是Σ Λ ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換前需通過(guò)低通濾波器來(lái)對(duì)高頻噪音，尤其是頻率接近模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率的噪音進(jìn)行抑制，這是通常所說(shuō)的防混疊濾波。
[0033]圖4顯示了一個(gè)低頻應(yīng)用實(shí)例(此發(fā)明不局限于低頻應(yīng)用，也適用于高頻應(yīng)用)，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是Σ AADC時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出信號(hào)DVo和Sigma-Delta數(shù)模轉(zhuǎn)換(Σ AADC)模擬輸出信號(hào)Ανο2頻譜。
[0034]為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，上述附圖中的運(yùn)算放大器0ΡΑ、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC以單端結(jié)構(gòu)示出。當(dāng)時(shí)，本發(fā)明的帶負(fù)反饋的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置還特別適用于芯片集成。為了描述上的簡(jiǎn)化，此文僅表述了單端信號(hào)鏈路結(jié)構(gòu)。真正在芯片集成時(shí)，為了提高抗干擾能力和降低共模噪音，電路中的運(yùn)算放大器0ΡΑ、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC通常是差分結(jié)構(gòu)。本發(fā)明也包含差分結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。
[0035]本發(fā)明的帶負(fù)反饋的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置還特別適用于集成Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換Σ AADC系統(tǒng)或裝置。在這種系統(tǒng)或裝置中，數(shù)模裝換器DAC可用Sigma-Delta數(shù)模轉(zhuǎn)換Σ ADAC0當(dāng)使用高階Σ AADC時(shí)，負(fù)反饋回路有效地避免了高階Σ AADC帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。另一方面，負(fù)反饋回路提高了整個(gè)系統(tǒng)的線(xiàn)性度。
[0036]當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC是高精度時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC也是同等的高精度，從而使整個(gè)裝置達(dá)到高精度。
[0037]本發(fā)明還提供一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，用于提高模轉(zhuǎn)數(shù)系統(tǒng)中的高穩(wěn)定和高線(xiàn)性度。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換方法包括:將模擬輸入信號(hào)AVi輸入到放大器放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)DVo，同時(shí)，該數(shù)字輸出信號(hào)DVo經(jīng)過(guò)帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路反饋到放大器的輸入端。其中所述負(fù)反饋回路由串聯(lián)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和第三電阻R2構(gòu)成。
[0038]其中所述放大器由運(yùn)算放大器OPA和第一電阻R0、第二電阻Rl構(gòu)成。第一電阻RO連接在運(yùn)算放大器OPA兩端。第二電阻Rl —端接模擬輸入信號(hào)AVi，另一端連接第一電PlRO0
[0039]更進(jìn)一步，電阻Rl、R2是可變的，因此所述放大器具有可變?cè)鲆?，所述模?shù)轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換的自動(dòng)增益控制。[0040]更進(jìn)一步，所述模擬輸入信號(hào)AVi通過(guò)放大器放大后通過(guò)低通濾波器濾波，以抑制高頻噪音。
【權(quán)利要求】
1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括:接收模擬輸入信號(hào)的放大器，連接到放大器的輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和連接在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端和放大器的輸入端之間的帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述放大器包括運(yùn)算放大器和第一電阻(RO)和第二電阻(R1)，第一電阻(RO)連接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間，第二電阻(Rl)—端連接所述模擬輸入信號(hào)，另一端連接所述運(yùn)算放大器的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述負(fù)反饋回路包括第三電阻(R2)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端通過(guò)第三電阻(R2)連接到所述放大器的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，第二電阻(Rl)和第三電阻(R2)為可調(diào)電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為Sigma-Delta數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用同一時(shí)鐘信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，還包括低通濾波器，低通濾波器的輸入端連接運(yùn)算放大器的輸入端，輸出端連接運(yùn)算放大器的輸出端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述放大器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為單 端結(jié)構(gòu)或差分結(jié)構(gòu)。
9.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，包括: 將模擬輸入信號(hào)輸入到放大器放大， 放大后的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)， 該數(shù)字輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋回路反饋到放大器的輸入端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，將所述放大器配置為包括運(yùn)算放大器和第一電阻(RO)和第二電阻(R1)，第一電阻(RO)連接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間，第二電阻(Rl)—端連接所述模擬輸入信號(hào)，另一端連接所述運(yùn)算放大器的輸入端。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述負(fù)反饋回路包括第三電阻(R2)，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端通過(guò)第三電阻(R2)連接到所述放大器的輸入端。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，第二電阻(Rl)和第三電阻(R2)為可調(diào)電阻。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器配置為Sigma-Delta數(shù)模轉(zhuǎn)換器,所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器配置為Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用同一時(shí)鐘信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，還包括:在放大器后設(shè)置低通濾波器，低通濾波器接收放大后的模擬輸入信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，將所述放大器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器配置為單端 結(jié)構(gòu)或差分結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H03M1/12GK104038227SQ201310073014
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月7日
【發(fā)明者】施鐘鳴 申請(qǐng)人:無(wú)錫士康通訊技術(shù)有限公司