[发明专利]一种二阶噪声整形逐次逼近模数转换器

说明书

一种二阶噪声整形逐次逼近模数转换器，属于模拟数字转换技术领域。可以适用于单端电容阵列结构和双端电容阵列结构，包括依次连接的电容DAC模块、第一积分器模块、前置放大器模块、第二积分器模块、比较模块和逐次逼近逻辑模块。本发明采用双无源积分器构成级联积分反馈结构实现二阶噪声整形，其中前置放大器模块可以作为量化阶段的前置运放，也可以作为残差采样阶段的残差采样运放，提高了复用性且消除了失调影响；通过将完成逐次逼近的残差进行两次积分，实现了量化噪声在输出结果的二阶整形效果，具有低功耗和高精度的特点。

技术领域

本发明属于模拟数字转换技术领域，涉及一种高精度的二阶噪声整形逐次逼近模数转换器。

背景技术

对于很多中精度的应用而言，逐次逼近(Succesive Approximation Regester,SAR)模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)因为其能量高效而普遍流行。然而，当SAR-ADC的精度超过10位时，它的能效因为比较器噪声而快速降低，同时，芯片面积也因为电容阵列增多而变大。对于高精度低速应用，ΔΣ-ADC(Delta Sigma ADC)是被广泛应用的结构，因为它利用了过采样和噪声整形，所以能够以低分辨率的量化器实现高精度。混合型SAR-ADC基本应用于高速，但在提升精度方面的研究相对较少。

最近，在混合型ADC架构上面的研究显著增加，特别是联合了SAR和ΔΣ优势的ADC，2012年，第一篇噪声整形(Noise Shaping,NS)的ADC(J.A.Fredenburg andM.P.Flynn,“A 90-MS/s 11-MHz-bandwidth 62-dB SNDR noise-shaping SAR ADC,”IEEEJ.Solid-State Circuits,vol.47,no.12,pp.2898–2904,Dec.2012.)被发表，它通过有源积分器实现残差的积分，从而实现一阶噪声整形的效果。后续一篇无源积分器的噪声整形NS-ADC(Z.Chen,M.Miyahara,and A.Matsuzawa,A 9.35-ENOB.14.8 f/conv.-stepfully-passive noise-shaping SAR ADC,in IEEE Symp.VLSI Circuits Dig.,June2015,pp.C64-C65.)公开的技术方案中，消除了有源积分器的存在，实现了功耗的有效降低，但是噪声整形的效果被严重受限，噪声传输函数(Noise Transfer Function,NTF)的零点只能在0.5，同时输入信号摆幅也被削减为一半。另外一种采用无源积分器，并且实现零点在0.75处的CIFF噪声整形SAR ADC架构(W.Guo and N.Sun,“A 12 b-ENOB 61μW noise-shaping SAR ADC with a passive integrator,”in Proc.42nd Eur.Solid-StateCircuits Conf.(ESSCIRC),Sep 2016,pp.405–408.)公开了通过四端比较器实现一阶噪声整形。

传统噪声整形逐次逼近ADC(NS-SAR ADC)分为两大类，一种是级联积分反馈(Cascaded integrator feed-forward,CIFF)结构，另一种是残差反馈(Error feedback,EF)结构。CIFF结构就是通过将SAR操作后的电容阵列的残差通过积分器L1(z)直接加载到比较器的一端，而EF结构通过将残差直接反馈到输入端。两者各有优势，首先EF结构需要一个运算放大器将残差放大，以抵消残差反馈到输入电容的电荷重分配导致的缩小因子，而CIFF结构需要积分器加载在比较器一端，积分器可以是无源积分器。残差反馈EF结构相比于级联积分反馈CIFF结构更容易实现二阶结构，但EF结构的运算放大器存在高功耗以及放大倍数无法精确控制的缺点。

发明内容

针对上述级联积分反馈结构相比残差反馈结构不容易实现二阶结构，以及残差反馈结构实现二阶结构存在的运算放大器高功耗以及放大倍数无法精确控制的不足之处，本发明提出了一种二阶噪声整形逐次逼近模数转换器，使用双无源积分器实现级联积分反馈结构的二阶量化噪声整形效果。