模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入級(jí)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，特別是用于這種轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)。
【背景技術(shù)】
[0002] A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）中，輸入級(jí)通常是轉(zhuǎn)換器中與噪聲和線性相關(guān)的最關(guān)鍵 的部分。為了提高線性度，通常使用輸入晶體管對(duì)的退化，但這同時(shí)增加了噪聲。另一種解 決方案是使用輸入級(jí)，該輸入級(jí)具有到放大器的輸入的反饋（如反相放大器），但需要輸入 電阻，因此A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗將是限定的，但這是不希望出現(xiàn)的，特別是當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器 需要與傳感器接口時(shí)是不希望出現(xiàn)的。而且，這種反饋增加了功率消耗。
[0003] 另外，在傳感器應(yīng)用中，通常需要信號(hào)處理路徑在不同的通道之間提供足夠的增 益匹配。例如，磁敏角度傳感器的輸出信號(hào)分別與待測(cè)角度的正弦和余弦成比例，可以通過(guò) 應(yīng)用反正切函數(shù)以給角度一個(gè)磁場(chǎng)來(lái)處理這個(gè)比率。獨(dú)立的信號(hào)處理路徑中的失配引起的 正弦和余弦信號(hào)的振幅差異將引起角誤差。因此，信號(hào)處理路徑之間的增益匹配對(duì)于實(shí)現(xiàn) 良好性能是必要的。
[0004] 圖1示出了EA模數(shù)轉(zhuǎn)換器100的原理圖，他通過(guò)過(guò)采樣噪聲整形實(shí)現(xiàn)高分辨 率。更具體地，轉(zhuǎn)換器100包括加法器104,濾波器106,數(shù)字轉(zhuǎn)換器108和反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)114。在操作中，模擬輸入信號(hào)102被作為一個(gè)輸入提供給加法器104。加法器104的 輸出被提供給濾波器106,濾波器106調(diào)整由其后的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的量化器108引入的量化噪 聲，量化器108提供數(shù)字輸出信號(hào)110。數(shù)字輸出信號(hào)110也被作為數(shù)字反饋信號(hào)112提供 到反饋D/A轉(zhuǎn)換器114,反饋D/A轉(zhuǎn)換器114發(fā)送產(chǎn)生的模擬反饋信號(hào)116作為加法器104 的第二輸入，從而使濾波器106將任何誤差（即模擬輸入信號(hào)102與模擬反饋信號(hào)116之 間的差異）考慮在內(nèi)。濾波器106可能是積分器級(jí)。轉(zhuǎn)換器110的輸出通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器114 轉(zhuǎn)換成到模擬域。DA轉(zhuǎn)換器114的輸出與輸入信號(hào)102比較并且將誤差反饋到環(huán)中。轉(zhuǎn)換 器100的關(guān)鍵部分是輸入級(jí)，它決定了模擬輸入信號(hào)的數(shù)字表示的誤差。由輸入級(jí)造成的 誤差本身因此直接轉(zhuǎn)化為輸入信號(hào)的數(shù)字表示中的誤差，這是不希望的。注意的是SAR(逐 漸近似）AD轉(zhuǎn)換器具有類似的問(wèn)題。已知技術(shù)的實(shí)施例使用獨(dú)立轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)和DA轉(zhuǎn)換 器信號(hào)的跨導(dǎo)（gm)級(jí)。
[0005] 圖2示出了已知的用于差分A/D轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)200。輸入級(jí)200包括第一跨導(dǎo) 元件206,第二跨到元件210,積分電容器208和能提供+Vref與-Vref之間的輸出信號(hào)值 的梯形電阻216 (形成反饋D/A轉(zhuǎn)換器）。差分模擬輸入信號(hào)被提供給第一跨導(dǎo)元件206的 輸入202和204,第一跨導(dǎo)元件206產(chǎn)生第一電流，第一電流與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的差異相 應(yīng)。類似地，第二跨導(dǎo)元件210在它的輸入212和214處接收來(lái)自D/A轉(zhuǎn)換器216的模擬 反饋信號(hào)并且產(chǎn)生第二電流（與第一電流相反），第二電流與兩個(gè)模擬反饋信號(hào)之間的差 異相應(yīng)。所產(chǎn)生的電流，即，第一電流和第二電流，被在電容器208上積分求和并且提供所 產(chǎn)生的電容器208兩端的電壓Vout用于另外的濾波（例如更高階的環(huán)路濾波器）或者在 轉(zhuǎn)換器，例如圖1所示的數(shù)字轉(zhuǎn)換器108的量化級(jí)中進(jìn)一步處理。換句話說(shuō)，第一和第二跨 導(dǎo)元件206和210的輸出電流在電流域中被減少，并且在電容器208上積分。再一次參考 圖1，電容器208可能形成整個(gè)濾波器108或?yàn)V波器108的第一部分。這種實(shí)施的缺點(diǎn)是兩 個(gè)跨導(dǎo)元件都必須轉(zhuǎn)換全擺幅信號(hào)（輸入信號(hào)或DA轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)），這需要更高的線性 級(jí)以避免失真。通常由跨導(dǎo)級(jí)的退化獲得線性度，但很明顯這會(huì)增加噪聲（由于添加的電 阻），因此，需要增加功率已達(dá)到所需的噪聲水平。
[0006] 因此可能需要一種用于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)，能夠在較低的功率消耗水平提供高 線性度和低噪聲，并且能夠以簡(jiǎn)單和可靠的方法提供多個(gè)通道之間的增益匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 這種要求可能由根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來(lái)滿足。優(yōu)選的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求 中提出。
[0008] 根據(jù)第一方面，提供了一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)，輸入級(jí)包括（a)跨導(dǎo)元件， 適于在跨導(dǎo)元件的第一輸入接收模擬輸入信號(hào)，所述模擬輸入信號(hào)將被模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)，（b)反饋路徑，用于提供模擬反饋信號(hào)到跨導(dǎo)元件的第二輸入，模擬反饋信號(hào)基 于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出信號(hào)，和（c)積分器，用于對(duì)跨導(dǎo)元件的輸出電流進(jìn)行積分，其中 積分元件適于產(chǎn)生表不經(jīng)積分的輸出電流的積分器輸出信號(hào)。
[0009] 這個(gè)方面是基于以下思想：將模擬輸入信號(hào)和模擬反饋信號(hào)提供給相同跨導(dǎo)元件 的各自的輸入，跨導(dǎo)元件的輸入信號(hào)的擺幅（即輸入到跨導(dǎo)元件的信號(hào)之間的差異）被大 大減小。因此，對(duì)于跨導(dǎo)元件的線性要求也相應(yīng)地減少，噪聲的增加以及消耗功率的另外的 電阻器不是必須的。
[0010] 在本文中，術(shù)語(yǔ)"跨導(dǎo)元件"可能特別表示產(chǎn)生輸出電流的電路元件，該輸出電流 直接取決于跨導(dǎo)元件的第一和第二輸入兩端的電壓差，即i=gmXv，其中g(shù)m是對(duì)于元件特 定的常數(shù)因子（跨導(dǎo)）。
[0011] 因此，跨導(dǎo)元件的輸出電流代表輸入到跨導(dǎo)元件的信號(hào)之間的差。換句話說(shuō)，經(jīng)積 分的輸出電流表示到AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號(hào)和反饋路徑提供的模擬反饋信號(hào)之間的差 的積分。因此，代表經(jīng)積分的輸出電流的積分器輸出信號(hào)，可以衡量AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差。
[0012] 假設(shè)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差相對(duì)小，可以知道輸入到跨導(dǎo)元件的信號(hào)之間的差異 是相應(yīng)的小。因此，根據(jù)這一方面的輸入級(jí)即使沒(méi)有高線性跨導(dǎo)元件也能夠很好運(yùn)作。
[0013] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，輸入級(jí)還包括（a)另外的跨導(dǎo)元件，適于在另外的跨導(dǎo)元件的 第一輸入接收另外的模擬輸入信號(hào)，和（b)另外的反饋路徑，用于提供另外的模擬反饋信 號(hào)給另外的跨導(dǎo)元件的第二輸入，該另外的模擬反饋信號(hào)是基于A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出信 號(hào)，其中（c)積分器適于對(duì)跨導(dǎo)元件的輸出電流和另外的跨導(dǎo)元件的輸出電流積分求和， 和其中積分器輸出信號(hào)代表輸出電流的積分之和。
[0014] 在這個(gè)實(shí)施例中，輸入級(jí)包括另外的跨導(dǎo)元件，另外的跨導(dǎo)元件以與以上描述的 跨導(dǎo)元件類似的方式工作以產(chǎn)生電流，該電流基于另外的模擬輸入信號(hào)和另外的模擬反饋 信號(hào)之間的差。另外的跨導(dǎo)元件產(chǎn)生的電流與跨導(dǎo)元件產(chǎn)生的電流通過(guò)積分器在一起求積 分。因此，積分器輸出信號(hào)代表輸出電流的積分之和。
[0015] 另外的跨導(dǎo)元件的跨導(dǎo)（gm)可能等于或不同于跨導(dǎo)元件的跨導(dǎo)。
[0016] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，模擬輸入信號(hào)和另外的模擬輸入信號(hào)是用于差分A/D轉(zhuǎn)換器 的模擬輸入信號(hào)。
[0017] 在本文中，術(shù)語(yǔ)"差分A/D轉(zhuǎn)換器"是能夠產(chǎn)生兩個(gè)模擬輸入信號(hào)之差的數(shù)字表示 的A/D轉(zhuǎn)換器。
[0018] 注意另外的模擬輸入信號(hào)和另外的模擬反饋信號(hào)具有相同的極性，即它們同相。 類似地，模擬輸出信號(hào)與模擬反饋信號(hào)具有相同的極性（即相位）。然而，模擬輸入信號(hào)與 另外的模擬輸入信號(hào)的極性相反。
[0019] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，跨導(dǎo)元件的第一輸入和另外的跨導(dǎo)元件的第一輸入具有相反 的極性。
[0020] 因此，跨導(dǎo)元件的第二輸入也與另外的跨導(dǎo)元件的第二輸入具有相反的極性。
[0021] 因此，對(duì)于模擬輸入信號(hào)的正的轉(zhuǎn)換誤差將正的值添加到輸出電流的積分之和 上，對(duì)于另外的模擬輸入信號(hào)的正的轉(zhuǎn)化誤差將負(fù)的貢獻(xiàn)添加到輸出電流的積分之和上。
[0022] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，輸入級(jí)還包括布置在跨導(dǎo)元件的輸出和積分器之間的斬波 器，斬波器可以反轉(zhuǎn)跨導(dǎo)元件的輸出的極性。
[0023] 在本文中，術(shù)語(yǔ)"斬波器"可能特別表示開(kāi)關(guān)元件，該開(kāi)關(guān)元件可以用第一輸出端 和第二輸出端以兩種方式連接第一輸入端和第二輸入端，這取決于提供給斬波器的控制信 號(hào)：對(duì)于控制信號(hào)的一個(gè)值，斬波器用第一輸出端連接第一輸入端和用第二輸出端連接第 二輸入端，和對(duì)于控制信號(hào)的第二值，斬波器用第二輸出端連接第一輸入端和用第一輸出 端連接第二輸入端。
[0024] 通過(guò)操作斬波器反轉(zhuǎn)跨導(dǎo)元件的輸出電流的極性，輸入級(jí)可能從操作的差模變?yōu)?操作的共模。
[0025] 或者，斬波器可能布置在另外的跨導(dǎo)元件和積分器之間。
[0026] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，積分器包括電容器，積分器輸出信號(hào)是電容器兩端的電壓。
[0027] 應(yīng)該注意的是，雖然上述方面和實(shí)施例是關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換器的描述，但是所描述的 輸入級(jí)也可以用于其它包括反饋路徑的電路結(jié)構(gòu)，例如反饋放大器。另外，積分電容器的功 能，即提供環(huán)路增益，可能由電阻器實(shí)現(xiàn)。
[0028] 根據(jù)第二方面，提供一種A/D轉(zhuǎn)換器，包括（a)根據(jù)第一方面或上述任一實(shí)施例的 輸入級(jí)，（b)量化級(jí)，適于接收積分器輸出信號(hào)和產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)，和（c)反饋D/A轉(zhuǎn)換 器，適于通過(guò)將數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)來(lái)產(chǎn)生模擬反饋信號(hào)和將模擬反饋信號(hào)提供 給反饋路徑。
[0029] 這一方面是基于和上述第一方面基本相同的思想。特別地，根據(jù)第二方面的A/D轉(zhuǎn)換器是便宜的和易于制造的，并且可以在低噪聲和低功率損耗下提供高精度的模擬到數(shù) 字的轉(zhuǎn)換。另外，當(dāng)以多通道實(shí)現(xiàn)時(shí)，如差分A/D轉(zhuǎn)換器，可以以簡(jiǎn)單和節(jié)約成本的方式提 供通道之間的增益匹配。
[0030] 在本文中，術(shù)語(yǔ)"量化"可以特別指以下過(guò)程：選擇多個(gè)離散（量化的）值作為代 表值用于給定的模擬信號(hào)水平。
[0031] 在本文中，術(shù)語(yǔ)"反饋D/A轉(zhuǎn)換器"可以特別指布置為轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出 信號(hào)返回模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，例如，在本領(lǐng)域中已知的EA模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0032] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，A/D轉(zhuǎn)換器還包括插入在輸入級(jí)和量化級(jí)之間的濾波級(jí)。
[0033] 優(yōu)選地，濾波級(jí)可能適于執(zhí)行另外的濾波，例如噪聲整形，到由積分器執(zhí)行的濾 波。
[0034] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，反饋D/A轉(zhuǎn)換器包括梯形電阻結(jié)構(gòu)。
[0035] 優(yōu)選地，梯形電阻結(jié)構(gòu)被配置為在正的參考電壓（+Vref)和負(fù)的參考電壓 (-Vref)之間提供多個(gè)等量間距的離散的電壓值。
[0036] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，斬波器可以通過(guò)反轉(zhuǎn)跨導(dǎo)元件的輸出的極性以在操作的差模 和操作的共模之間切換。
[0037] 在差模A/D轉(zhuǎn)換器的情況下，這可能例如用于在啟動(dòng)時(shí)校準(zhǔn)，在啟動(dòng)時(shí)，斬波器可 以切換系統(tǒng)到操作的共模，以及測(cè)量輸入信號(hào)和相應(yīng)的