本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)由于其結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，在現(xiàn)在的一些芯片中，特別是傳感器芯片中，得到了較廣泛的應(yīng)用。然而由于其轉(zhuǎn)換速率慢的缺點導(dǎo)致很多時候需要對傳統(tǒng)的積分型ADC做一些改進以適合系統(tǒng)的需求，這種改進通常是犧牲ADC某方面的性能以換取另一方面性能的提升，以期整個系統(tǒng)能表現(xiàn)出更好的性能。

圖1是傳統(tǒng)的積分型ADC的主要結(jié)構(gòu)示意圖，主要由比較器(COMP)、計數(shù)器(COUNTER)以及可能需要的存儲數(shù)字信號的存儲器(RAM)。其工作原理如圖2所示，其中紅色線條表示的VIN為ADC的輸入信號，黑色線條表示的VRAMP信號為ADC的參考電壓信號。其中t1時刻為時序周期起始時刻，t2為VRAMP電壓開始隨時間上升的時刻，t3為輸入VIN與VRAMP電壓相交的時刻，t4為VRAMP電壓隨時間上升階段的結(jié)束時刻，t2至t4時間VRAMP電壓上升的電壓大小設(shè)為VFS，即為ADC的滿量程輸入范圍，t5為時序周期結(jié)束時刻，一個ADC的轉(zhuǎn)換周期為t1至t5時間，即T時間。ADC量化的模擬輸入信號為VIN信號和VRAMP信號初始電壓(即t1～t2時間的保持恒定的電壓)之差，設(shè)為ΔVIN，ADC中的計數(shù)器在t2時刻開始從0開始以固定時鐘(設(shè)為CLK)計數(shù)，直至t3時刻比較器翻轉(zhuǎn)結(jié)束計數(shù)，則此時輸入ΔVIN時ADC輸出為

其中N為ADC的分辨率。

最后，這種ADC的輸入輸出轉(zhuǎn)移特性可表示為

ΔVIN＝kv*DN (2)

其中ΔVIN為輸入信號，DN為ADC最終轉(zhuǎn)換出的數(shù)字碼，kv為一個固定的系數(shù)，由ADC的分辨率及最大輸入信號幅度決定(即為①式中的VFS/2N)。

圖3為圖2中VRAMP參考電壓的傳統(tǒng)產(chǎn)生方式，即使用積分器或DAC產(chǎn)生，一般包括輸入?yún)⒖茧妷憾丝赩REF、輸出電壓端口VOUT以及時序控制信號(圖中未標(biāo)出)，通過時序信號控制輸出VOUT為恒定的初始電壓，還是隨時間線性變化的電壓信號，輸出電壓VOUT即為積分型ADC的參考電壓VRAMP，在隨時間線性變化時，有

VRAMP＝k*Vref*t (3)

其中Vref為積分器或DAC的輸入?yún)⒖茧妷海瑸楹愣ㄖ?，t為時間，k為恒定的系數(shù)，與積分器或DAC參數(shù)設(shè)置有關(guān)。使用此參考電壓的積分型ADC的輸入輸出轉(zhuǎn)移特性如(2)式所示。

積分型ADC的轉(zhuǎn)換速率因其工作原理的限制較慢，為提升其轉(zhuǎn)換速率，現(xiàn)有的實現(xiàn)方案的工作如圖4所示，通過改變ADC的參考電壓VRAMP的波形，改為圖中淺藍色波形所示，相較于傳統(tǒng)的黑色波形所示的VRAMP波形，淺藍色波形主要是在積分階段VRAMP由直線上升改為折線方式上升，通過在設(shè)定的時間點改變VRAMP電壓變化的斜率。此種VRAMP電壓的產(chǎn)生方式一般是在傳統(tǒng)的積分器或DAC電路中增加控制信號，在特定的時間點通過控制信號使得輸出的VRAMP電壓在積分階段由直線變化改為折線變化。使用此種VRAMP參考電壓的積分型ADC的輸入輸出轉(zhuǎn)移特性會有變化，后續(xù)需通過數(shù)字信號處理還原出傳統(tǒng)的如(2)式所示的ADC轉(zhuǎn)移特性。為此，后續(xù)的數(shù)字處理系統(tǒng)需要知道折線的轉(zhuǎn)折點和VRAMP變化的斜率，由于很多時候折線會有很多個轉(zhuǎn)折點，因而這種方式雖能提升ADC的轉(zhuǎn)換速率(其轉(zhuǎn)換周期由圖示的原來的T縮短為T1時間)，但其實現(xiàn)方式較復(fù)雜，不容易擴展，其VRAMP電壓在折線的轉(zhuǎn)折點處的VRAMP電壓變化不夠理想，導(dǎo)致最終還原出來的ADC轉(zhuǎn)移特性中的線性度較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種積分性數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而縮短轉(zhuǎn)換周期，提升轉(zhuǎn)換效率。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種一種積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有N個積分器構(gòu)成級聯(lián)N級積分器結(jié)構(gòu)，每個積分器的輸出端與其相鄰的積分器的輸入端相連接，第一個積分器的輸入端接輸入電壓，第N個積分器的輸出端接輸出節(jié)點(VRAMP)，其中，N為大于或等于2的正整數(shù)；級聯(lián)N級積分器中，輸出節(jié)點(VRAMP)的電壓的變化與時間的N次方呈正比關(guān)系。

優(yōu)選地，每個積分器包括一個電阻、一個電容、運算跨導(dǎo)放大器和一個開關(guān)組成；其中，每個積分器中，運算跨導(dǎo)放大器的正向輸入端接電壓源(VCM)，所述電阻的一端接運算跨導(dǎo)放大器的反向輸入端于一節(jié)點，所述電容的兩端分別連接所述節(jié)點和所述運算跨導(dǎo)放大器的輸出端；所述開關(guān)并聯(lián)于所述電容的兩端，所述電阻的另一端接該積分器的輸入端；運算跨導(dǎo)放大器的輸出端接與之相鄰的另一個積分器的輸入端。

優(yōu)選地，所述積分器的數(shù)量為三個。

為了達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種采用上述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)對積分性數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性進行調(diào)節(jié)的方法，其包括：

采用所述級聯(lián)N級積分器結(jié)構(gòu)；

將所述第一個積分器的輸入端接上參考電壓；

將所述第N個積分器的輸出端接到輸出節(jié)點(VRAMP)，并且將每個積分器的輸出端與其相鄰的積分器的輸入端相連接，從而使得第N個積分器的輸出端所輸出到輸出節(jié)點(VRAMP)的電壓變化與時間的N次方呈正比關(guān)系。

優(yōu)選地，每個積分器包括一個電阻、一個電容、運算跨導(dǎo)放大器和一個開關(guān)組成；其中，針對每個積分器，將運算跨導(dǎo)放大器的正向輸入端接電壓源(VCM)，將所述電阻的一端接運算跨導(dǎo)放大器的反向輸入端于一節(jié)點，將所述電容的兩端分別連接所述節(jié)點和所述運算跨導(dǎo)放大器的輸出端；將所述開關(guān)并聯(lián)于所述電容的兩端，將所述電阻的另一端接該積分器的輸入端；將運算跨導(dǎo)放大器的輸出端接與之相鄰的另一個積分器的輸入端。

本發(fā)明的積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用積分器級聯(lián)產(chǎn)生參考電壓，實現(xiàn)方式簡單，后續(xù)數(shù)字信號處理更方便，可以減小ADC的轉(zhuǎn)換時間，提升ADC轉(zhuǎn)換速率；相對于已有的折線方式，本發(fā)明提出的方式線性度更好；而且很容易擴展至級聯(lián)多級積分器。

附圖說明

圖1是一種傳統(tǒng)的單積分型ADC主要結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是一種傳統(tǒng)的單積分型ADC工作原理示意圖

圖3是傳統(tǒng)積分型ADC參考電壓VRAMP信號產(chǎn)生方式示意圖

圖4是現(xiàn)有的調(diào)整積分型ADC轉(zhuǎn)移特性的方法的工作原理圖

圖5是本發(fā)明的一個較佳實施例的一種調(diào)節(jié)積分型ADC轉(zhuǎn)移特性的方法的工作原理圖

圖6是本發(fā)明的一個較佳實施例的調(diào)節(jié)積分型ADC轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

圖7是本發(fā)明的一個較佳實施例的調(diào)節(jié)積分型ADC轉(zhuǎn)移特性的方法中參考電壓VRAMP信號產(chǎn)生方式的具體電路結(jié)構(gòu)圖

圖8是本發(fā)明的一個較佳實施例的擴展的3次迭代產(chǎn)生參考電壓VRAMP的示意圖

圖9是本發(fā)明的一個較佳實施例的擴展的3次迭代產(chǎn)生參考電壓VRAMP的具體電路結(jié)構(gòu)圖

圖10是本發(fā)明的一個較佳實施例的擴展的N次迭代產(chǎn)生參考電壓VRAMP的示意圖

具體實施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

本發(fā)明中，積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有N個積分器構(gòu)成級聯(lián)N級積分器結(jié)構(gòu)，每個積分器的輸出端與其相鄰的積分器的輸入端相連接，第一個積分器的輸入端接參考電壓，第N個積分器的輸出端接輸出節(jié)點(VRAMP)，其中，N為大于或等于2的正整數(shù)；級聯(lián)N級積分器中，輸出節(jié)點(VRAMP)的電壓的變化與時間的N次方呈正比關(guān)系。

在一個實施例中，每個積分器包括一個電阻、一個電容、運算跨導(dǎo)放大器和一個開關(guān)組成；其中，每個積分器中，運算跨導(dǎo)放大器的正向輸入端接電壓源(VCM)，電阻的一端接運算跨導(dǎo)放大器的反向輸入端于一節(jié)點，電容的兩端分別連接所述節(jié)點和所述運算跨導(dǎo)放大器的輸出端；開關(guān)并聯(lián)于電容的兩端，電阻的另一端接該積分器的輸入端；運算跨導(dǎo)放大器的輸出端接與之相鄰的另一個積分器的輸入端。

以下結(jié)合附圖5～10和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。

本實施例中，以具有兩個積分器的積分型數(shù)模轉(zhuǎn)換器為例進行說明。請參閱圖6和圖7，圖6是本發(fā)明的一個較佳實施例的調(diào)節(jié)積分型ADC轉(zhuǎn)移特性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖，圖7是本發(fā)明的一個較佳實施例的調(diào)節(jié)積分型ADC轉(zhuǎn)移特性的方法中參考電壓VRAMP信號產(chǎn)生方式的具體電路結(jié)構(gòu)。這里為級聯(lián)2級積分器結(jié)構(gòu)。積分器1(Integrator 1)由運算跨導(dǎo)放大器OTA1、電阻R1、電容C1和開關(guān)S1組成，OTA1的反向輸入端接節(jié)點V1、OTA1的正向輸入端接電壓源VCM、OTA1的輸出端接輸出節(jié)點VRAMP，電容C1的兩端接節(jié)點V1和VRAMP，開關(guān)S1的兩端接節(jié)點V1和VRAMP，電阻R1的兩端接V1和Vref1，Vref1為積分器1的輸入電壓，同時也是積分器2的輸出端電壓。積分器2(Integrator 2)由運算放大器OTA2、電阻R2、電容C2和開關(guān)S2組成，OTA2的反向輸入端接節(jié)點V3、OTA2的正向輸入端接VCM電壓、OTA2的輸出端接輸出節(jié)點Vref1，電容C2的兩端接節(jié)點V3和Vref1，開關(guān)S2的兩端接節(jié)點V3和Vref1，電阻R2的兩端接V3和Vref。

請參閱圖5并結(jié)合圖6和圖7，由上述兩個積分器構(gòu)成的級聯(lián)2級積分器結(jié)構(gòu)中，積分器2用于實現(xiàn)最終的輸出節(jié)點VRAMP所輸出的電壓隨時間的2次方呈正比關(guān)系。由積分器的特性可知，在VRAMP電壓隨時間開始變化的階段，輸出電壓表達式如下：

其中，共模電壓VCM作為VRAMP的初始電壓，即t＝0時，VRAMP＝VCM。

此外，根據(jù)運算跨導(dǎo)放大器的輸入端虛短特性，V1＝VCM，有式子⑥和⑦得到：

式⑧所示VRAMP電壓的后一項即為時間t的二次項，可以用于積分型ADC的參考電壓，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)ADC的轉(zhuǎn)移特性的功能。

根據(jù)ADC的工作原理，ADC以上式⑧中VRAMP電壓信號的后一項即t²那一項作為參考電壓，VCM只是VRAMP的輸出電壓。當(dāng)ADC的輸入為ΔVIN時，ΔVIN等于參考電壓，ADC中計數(shù)器的有效計數(shù)時間Δt為

由上式得

根據(jù)ADC的工作原理，計數(shù)器在Δt時間內(nèi)所計數(shù)得到的值即為ADC最終得到ΔVIN輸入時轉(zhuǎn)換出的數(shù)字碼DN，

由于DN＝Δt*CLK

因此，以式⑧所示的VRAMP電壓作為參考電壓的ADC在輸入為ΔVIN時的輸出DN有表達式

其中，CLK為ADC中的計數(shù)器的時鐘頻率大??；此時ADC的轉(zhuǎn)移特性可表示為下式

ΔVIN＝k*DN² ⑩

其中k為系數(shù)，與積分器的參數(shù)選取和ADC的計數(shù)器時鐘CLK有關(guān)，即

請參閱圖8和圖9，圖8是本發(fā)明的一個較佳實施例的擴展的3次迭代產(chǎn)生參考電壓VRAMP的示意圖，圖9是本發(fā)明的一個較佳實施例的擴展的3次迭代產(chǎn)生參考電壓VRAMP的具體電路結(jié)構(gòu)圖。通過圖8中的級聯(lián)3級積分器將輸出節(jié)點VRAMP所輸出的電壓在積分期間的電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c時間的3次方呈正比的關(guān)系，以此使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC的轉(zhuǎn)移特性中，輸入信號與輸出數(shù)字碼的3次方呈正比。

請參閱圖10，圖10是本發(fā)明的一個較佳實施例的擴展的N次迭代產(chǎn)生參考電壓VRAMP的示意圖。通過級聯(lián)N級積分器將輸出節(jié)點VRAMP所輸出的電壓在積分期間的電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c時間的N次方成正比的關(guān)系，以此使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC的轉(zhuǎn)移特性中輸入信號與輸出數(shù)字碼的N次方成正比。

此外，本實施例中，還提供一種采用本實施例的上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)對積分性數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移特性進行調(diào)節(jié)的方法，包括：采用級聯(lián)N級積分器結(jié)構(gòu)，將第一個積分器的輸入端接上參考電壓，將第N個積分器的輸出端接到輸出節(jié)點(VRAMP)，并且將每個積分器的輸出端與其相鄰的積分器的輸入端相連接，從而使得第N個積分器的輸出端所輸出到輸出節(jié)點(VRAMP)的電壓變化與時間的N次方呈正比關(guān)系。

具體的，由于本實施例中上述的每個積分器包括一個電阻、一個電容、運算跨導(dǎo)放大器和一個開關(guān)組成；針對每個積分器，將運算跨導(dǎo)放大器的正向輸入端接電壓源(VCM)，將電阻的一端接運算跨導(dǎo)放大器的反向輸入端于一節(jié)點，將電容的兩端分別連接節(jié)點和運算跨導(dǎo)放大器的輸出端；將開關(guān)并聯(lián)于所述電容的兩端，將電阻的另一端接該積分器的輸入端；將運算跨導(dǎo)放大器的輸出端接與之相鄰的另一個積分器的輸入端。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。