具有改進的反饋的積分三角模數轉換器的制造方法

具有改進的反饋的積分三角模數轉換器的制造方法
【專利摘要】本公開提供具有改進的反饋的sigma-delta模數轉換器。sigma-delta模數轉換器包括輸入跨導級，其提供與模擬輸入電壓成比例的模擬輸入電流，以及電流求和級，其生成與模擬輸入電流和反饋電流之間的差相對應的模擬誤差信號。sigma-delta模數轉換器還包括前向信號路徑，其處理模擬誤差信號以提供與模擬輸入電壓相對應的數字輸出信號。此外，sigma-delta模數轉換器包括反饋路徑，其包括具有拉和灌電流源二者的電流舵數模轉換器，其中由拉和灌電流源所提供的電流是可導引的并且經連接以基于數字輸出信號直接提供反饋電流。還提供sigma-delta模數轉換器操作方法。
【專利說明】具有改進的反饋的積分三角模數轉換器
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求于2013年5月10日由Fontaine等人提交的、標題為"SIGMA-DELTA ANALOG TO DIGITAL CONVERTER WITH MPROVED FEEDBACK"的 13/891，974號美國申請的權 益，其與本申請共同受讓并通過援引的方式在本文中加以合并。

【技術領域】
[0003] 本申請總地涉及模數轉換，并且，更具體地，涉及一種連續時間積分三角 (sigma-delta)模數轉換器和sigma-delta模數轉換器操作方法。

【背景技術】
[0004] 基于Sigma-delta操作原理的模數轉換器（ADC)要求至少一個反饋數模轉換器 (DAC)，其用來抵消大部分ADC輸入信號。因為直接與ADC輸入有關的ADC的輸出噪聲一般 決定ADC信噪比（SNR)，所以該DAC是ADC的最關鍵部分。此外，與ADC輸入級的任何誤匹 配會典型地造成增益誤差。
[0005] 跨導（Gm) -般可定義為輸出電流的改變與相應控制輸入電壓的改變的比率。高 速sigma-delta ADC -般依靠連續時間實現方案，其中跨導-電容（Gm/C)積分器是用于低 電壓和低噪聲約束設計的主流解決方案。然而，Gm單元的輸出噪聲由其靜態偏置電流決定， 而輸出信號有關電流是偏置電流的小部分。
[0006] 使用由來自DAC的輸出電壓所驅動的Gm單元來實現主ADC反饋是主流并且直接 的解決方案。相同類型的Gm單元可用于輸入級和反饋DAC，確保由誤匹配所引起的最小增 益誤差。然而，該方法提供產生的Gm靜態電流的較高值以及因此輸入噪聲的較高值。


【發明內容】

[0007] 本公開的實施例提供sigma-delta模數轉換器和sigma-delta模數轉換器操作方 法。
[0008] 在一個實施例中，sigma-delta模數轉換器包括輸入跨導級，其提供與模擬輸入電 壓成比例的模擬輸入電流，以及電流求和級，其生成與模擬輸入電流和反饋電流之間的差 相對應的模擬誤差信號。sigma-delta模數轉換器還包括前向信號路徑，其處理模擬誤差信 號以提供與模擬輸入電壓相對應的數字輸出信號。此外，sigma-delta模數轉換器包括反 饋路徑，其包括具有拉和灌電流源二者的電流舵數模轉換器，其中由拉和灌電流源所提供 的電流是可導引的（steerable)并且經連接以基于數字輸出信號直接提供反饋電流。
[0009] 另一方面，本公開提供sigma-delta模數轉換器操作方法。方法包括提供與模擬 輸入電壓成比例的模擬輸入電流以及生成與模擬輸入電流和反饋電流之間的差相對應的 模擬誤差信號。方法還包括處理模擬誤差信號以提供與模擬輸入電壓相對應的數字輸出信 號。此外，方法包括提供具有拉和灌電流源二者的電流舵數模轉換器，其中來自拉和灌電流 源的電流是可導引的并且經連接以基于數字輸出信號直接提供反饋電流。
[0010] 前述內容已概述本公開的優選和可替代特征，使得本領域技術人員可更好地理解 本公開接下來的詳細描述。將在下文中描述形成公開的權利要求主題的公開的附加特征。 本領域技術人員應理解的是，他們可易于使用所公開的構思和具體實施例作為基礎用于設 計或修改用于實行本公開的相同目的的其他結構。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 現在將結合附圖對接下來采取的描述進行參考，其中：
[0012] 圖1示出根據本公開的原理所構建的基于sigma-delta轉換原理的ADC的框圖；
[0013] 圖2示出根據本公開的原理所構建的ADC前端的實施例的另一幅圖；
[0014] 圖3示出根據本公開的原理所構建的調諧結構的實施例的圖；
[0015] 圖4示出根據本公開的原理所實行的sigma-delta ADC操作方法的實施例的流程 圖。

【具體實施方式】
[0016] 本公開的實施例利用采用拉和灌電流源二者的電流舵DAC (即拉和灌電流舵 (SSCS)DAC)，其與常規解決方案相比較減少了噪聲和靜態電流的范圍（area)二者。此外， 控制環路通過迫使其輸出電流等于參考電流來將輸入Gm單元的跨導（Gm)鎖定為目標值。 該參考電流的拷貝用來偏置SSCS DAC，從而確保跨過程、電壓和溫度變化的恒定增益。
[0017] 圖1示出根據本公開的原理所構建的并且一般標明為100的基于Sigma-delta轉 換原理的ADC的框圖。ADC100的框圖是簡化表示，其旨在針對本公開的實施例作為一般表 示并提供總體架構。可構建本公開的實施例以容納單輸入信號或差分輸入信號對。ADC100 包括輸入求和結點（ISG)105、積分濾波器(環路濾波器)110、比較器(量化器)115和DAC120。
[0018] ADC輸入模擬電壓施加到ISG105的正輸入106,并且來自DAC120的相應模擬反饋 電壓被提供到ISG105的負輸入108,這致使模擬誤差信號施加到積分濾波器110的輸入。 環路濾波器110是可從有源1/RC塊或Gm/C塊實現的積分器的級聯。
[0019] 圖2示出根據本公開的原理所構建的、一般標明為200的ADC前端的實施例的另 一幅圖。ADC前端200是具有與差分信號相對應的正（P)和負（N)信號路徑的sigma-delta ADC的不同實施例的表示，差分信號平衡在共模電位（common mode potential)周圍。
[0020] ADC前端200是本公開的實施例，其組合由圖1的輸入求和結點105、積分濾波器 110的第一級和DAC120所表示的功能。ADC前端200包括具有差分電壓輸入206P、206N和 連接到正和負信號路徑212P、212N的相應差分響應電流的輸入Gm級205。
[0021] 前端200還包括與積分濾波器的第一級相對應的輸入級積分電容210,如關于圖1 一般所示的。這里，積分電容210作為用于與輸入和反饋相關的電流的求和元件進行工作 并包括第一和第二電容器Cla、Clb，其分別連接在正和負信號路徑212P、212N和具有共模 電位的共模路徑212CM之間。可選地，與輸入和反饋相關的電流是異相的并采用正和負電 流求和節點214P、214N以提供跨輸入級積分電容210的ADC誤差信號。
[0022] 此外，前端200包括具有耦連到共模級225的拉和灌電流舵（SSCS)DAC220的ADC 反饋215。SSCS DAC220 -般可包括一族位單元(例如圖2中所示的三個溫度計位單元，其 是雙二進制位DAC的表示)。當然，SSCS DAC220可僅包括指示單二進制位DAC的一個溫度 計位單元或包括表示三二進制位DAC的七個溫度計位單元，如其他示例所示。
[0023] SSCS DAC220的優點包括低功率(無 DC偏置，僅反饋電流)、低噪聲(較少噪聲產生 者)、小共模擾動（比小Gm單元更好的P/N匹配)、較少量化噪聲折疊(較大輸出阻抗)和最小 超量延遲。
[0024] 在任何情況下，經組合的正（P)和負（N)差分電壓輸出228P、228N表示SSCS DAC220的所有位單元到共模級225和正和負信號路徑212P、212N的并行連接。共模級225 包括如所示方式連接的四個反相Gm級，并且隨著誤差電壓跨輸入級積分電容210改變將差 分電壓輸出228P、228N的中心維持在共模電位周圍。
[0025] 在一個實施例中，SSCS DAC220位單元中的每一個的權重相等，其中當位單元被數 字反饋命令激活時，相同位單元差分反饋電流被提供到SSCS DAC220的總差分反饋電流。當 位單元未被激活時，其保持在"內部電流平衡模式"中并且大致不對SSCS DAC220的總差分 反饋電流做出貢獻。該動作控制總差分反饋電流的量值（magnitude )。當然,所提供的總差 分反饋電流的極性處于減少跨輸入級積分電容210的ADC誤差信號的方向中。
[0026] 示出的SSCS DAC220的位單元是所有經指示的位單元的典型，并且包括如所示連 接的拉電流單元221、漏電流單元222、電流源開關對Qla、Qlb和電流陷落開關對Q2a、Q2b。 拉和灌電流單元221、222經平衡以通過分支開關Qla、Q2a和Qlb、Q2b提供大致相等的靜態 電流。在該實現方案中，當需要時，數字反饋命令中斷該平衡來提供減少輸入電壓效應的方 向的差分單元反饋電流。
[0027] 在圖2的示例中，電流舵開關對Qla、Q2b關閉，并且電流舵開關對Qlb、Q2a開啟。 該情況提供減少由相應的差分響應輸入電流Πη-ρ、Πη- η所激起的ADC誤差信號的方向的 總正和負反饋電流Ifb-p、Ifb-n的至少一部分。當然，正和負單元反饋電流Ifb-p、Ifb-n 與來自所有起作用的位單元的總電流相對應。
[0028] 存在可結合SSCS DAC220采用的其他實現方案策略。這些實現方案策略包括其中 每個位單元總是提供總正和負反饋電流Ifb-p、Ifb-n的一部分（即一對電流舵開關對Qla、 Q2b或Qlb、Q2a在每個位單元中總是關閉）的安排。在該情況下，數字反饋命令控制每個位 單元差分反饋電流的極性使得總反饋電流具有適當的量值和方向。為了表示任一上文實現 方案中的零反饋電流情況，數字反饋命令控制位單元以提供僅與交替改變極性的一個位單 元相對應的總正和負反饋電流Ifb-p、Ifb-n。
[0029] 圖3示出根據本公開的原理所構建的、一般標明為300的調諧結構的實施例的 圖。調諧結構300包括調諧電路305和連接到共模級325的SSCSDAC320,如在先前所討 論的連續時間sigma-delta ADC的實施例中可采用的。如先前所釋，一些采用連續時間 sigma-delta ADC的實施例包括具有環路濾波器和量化器的前向信號路徑和具有SSCS DAC320和共模級325的反饋路徑。
[0030] 環路濾波器是從有源1/RC塊或Gm/C塊實現的積分器的級聯。在這些情況之一中， 需要克服與1C電路固有的過程、電壓和溫度（PVT)變化相對應的分量效應以避免可包括系 統不穩定性的性能退化。這可由整理或調諧分量(例如R、C、Gm)來達成。在Gm/C環路濾波 器的情況下，可能的實現方案是通過Gm的供電電壓來調諧Gm以確保恒定的Gm/C值。
[0031] 具有數字輸入信號"Tune (調諧)"（在圖3中示出）的電流舵DAC提供輸出電流 (1)306,其由副本Gml307和Gm2308所吸收，使得AV (Gml+Gm2)=I (AV是固定帶隙值的 拷貝）。反饋環路(未示出）迫使Gml和Gm2的供電電壓確保先前的等式成立。
[0032] DAC代碼"Tune"經設置使得基于振蕩器(未示出）的副本Gm/C的頻率針對Gm/C比 率匹配目標值。因此，將電流（1)306的拷貝電流309用于sigma-delta ADC的主反饋DAC 將確保反饋DAC電流將跟蹤sigma-delta ADC的輸入gm，這將ADC的整體轉移功能固定到 最優選擇。
[0033] 圖4示出根據本公開的原理所實行的、一般標明為400的sigma-delta ADC操作 方法的實施例的流程圖。方法400開始于步驟405,在步驟410中，提供與模擬輸入電壓成 比例的模擬輸入電流。隨后，在步驟415中，生成與模擬輸入電流和反饋電流之間的差相對 應的模擬誤差信號。一般從包括單端誤差信號和差分誤差信號的組中選擇模擬誤差信號。 在步驟420中，處理模擬誤差信號以提供與模擬輸入電壓相對應的數字輸出信號。
[0034] 在步驟425中，提供具有拉和灌電流源二者的電流舵DAC，其中來自拉和灌電流源 的電流是可導引的并且經連接以基于數字輸出信號直接提供反饋電流。在一個實施例中， 電流舵DAC包括至少一個電流舵位單元，并且電流舵位單元的總量基于模擬誤差信號的所 要求分辨率。在另一個實施例中，每個電流舵位單元包括一對拉和灌電流源，并且相應地， 每個電流舵位單元包括電流舵開關對，其引導來自拉和灌電流源的電流以提供反饋電流的 至少一部分。
[0035] 在示出的實施例中，在步驟430中，維持用于電流舵DAC的共模電位，其中維持共 模電位采用經連接以維持共模電位的四個反相跨導單元。此外，在示出的實施例中，在步驟 435中，提供模擬輸入電流和反饋電流之間的、為克服過程、電壓和溫度變化的校正調諧。這 里，校正調諧采用電流鏡像結構用于模擬輸入電流和反饋電流之間的校正。過程400結束 于步驟440。
[0036] 雖然已參考以特定順序實施的特定步驟對本文所公開的方法加以描述和示出，但 應理解的是可組合、再分或重新排序這些步驟以形成等同的方法而不脫離本公開的教導。 因此，除非本文特別指示，否則步驟的順序或分組不作為本公開的限制。
[0037] 本申請相關領域的技術人員應理解的是，可對所描述的實施例進行其他和進一步 的增加、刪除、替換和修改。
【權利要求】
1. 一種積分三角模數轉換器，包括： 輸入跨導級，提供與模擬輸入電壓成比例的模擬輸入電流； 電流求和級，生成與所述模擬輸入電流和反饋電流之間的差相對應的模擬誤差信號； 前向信號路徑，處理所述模擬誤差信號以提供與所述模擬輸入電壓相對應的數字輸出 信號；以及 反饋路徑，包括具有拉和灌電流源二者的電流舵數模轉換器，其中由所述拉和灌電流 源所提供的電流是可導引的并且經連接以基于所述數字輸出信號直接提供所述反饋電流。
2. 根據權利要求1所述的轉換器，其中所述電流舵數模轉換器包括至少一個電流舵位 單元。
3. 根據權利要求2所述的轉換器，其中電流舵位單元的總量基于所述模擬誤差信號的 分辨率。
4. 根據權利要求2所述的轉換器，其中每個電流舵位單元包括所述拉和灌電流源中的 一對。
5. 根據權利要求2所述的轉換器，其中每個電流舵位單元包括引導來自所述拉和灌電 流源的電流以提供所述反饋電流的至少一部分的電流舵開關對。
6. 根據權利要求1所述的轉換器，其中所述模擬誤差信號選自包括以下內容的組： 單端誤差信號；以及 差分誤差信號。
7. 根據權利要求1所述的轉換器，進一步包括所述反饋路徑中的、維持用于所述電流 舵數模轉換器的共模電位的共模級。
8. 根據權利要求7所述的轉換器，其中所述共模級采用經連接以維持所述共模電位的 四個反相跨導單元。
9. 根據權利要求1所述的轉換器，進一步包括調諧電路，所述調諧電路提供所述輸入 跨導級和所述電流舵數模轉換器的所述拉和灌電流源之間的電流校正以克服過程、電壓和 溫度變化。
10. 根據權利要求9所述的轉換器，其中所述電流校正采用所述輸入跨導級和所述電 流舵數模轉換器的所述拉和灌電流源之間的電流鏡像結構。
【文檔編號】H03M1/12GK104143980SQ201310384554
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年5月10日
【發明者】保羅·豐泰內, 阿卜杜勒拉夫·貝拉瓦爾 申請人:輝達公司