一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括采樣電路、電阻分壓電路、基于壓控振蕩器的比較器、D觸發(fā)器以及優(yōu)先編碼器，其中，輸入電壓信號輸入到該采樣電路中，而后由該采樣電路將該輸入電壓信號傳輸?shù)礁鱾€該基于壓控振蕩器的比較器的輸入正端，參考電壓信號經(jīng)過該電阻分壓電路的電阻分壓后的參考電壓分別接到相應(yīng)的該基于壓控振蕩器的比較器的輸入負端，各個該基于壓控振蕩器的比較器的輸出連接到該D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，各個該D觸發(fā)器的輸出端再連接到該優(yōu)先編碼器中進行編碼后輸出。
【專利說明】一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特別是指一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸出結(jié)果可靠性高，適用于低壓、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]當前，隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)化器朝著低壓、低功耗、高速、高精度的方向發(fā)展。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型按照采樣頻率和系統(tǒng)帶寬可以分為奈奎斯特模數(shù)轉(zhuǎn)換器和過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。奈奎斯特模數(shù)轉(zhuǎn)換器又可以分為逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)化器(SAR ADC)，全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(FLASH ADC)，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)化器(Pipeline ADC)等。其中全并行模數(shù)轉(zhuǎn)化器(FLASH ADC)的速度最快，但是分辨率和比較器的數(shù)量成指數(shù)關(guān)系，面積和功耗比較大。隨著CMOS工藝尺寸普遍進入深亞微米時代(130nm,90nm,65nm等),傳統(tǒng)的比較器很難在低電源電壓(低于1.8V)條件下滿足高速度的要求，而且傳統(tǒng)的比較器由于其亞穩(wěn)態(tài)和失配容易引發(fā)閃爍碼，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)比較器低電源電壓不易于設(shè)計，抗噪聲能力差，輸出不穩(wěn)定的缺點，提出一種基于壓控振蕩器的比較器的，新的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)。
[0004]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包括采樣電路、電阻分壓電路、基于壓控振蕩器的比較器、D觸發(fā)器以及優(yōu)先編碼器，其中，輸入電壓信號輸入到該米樣電路中，而后由該米樣電路將該輸入電壓信號傳輸?shù)礁鱾€該基于壓控振蕩器的比較器的輸入正端，參考電壓信號經(jīng)過該電阻分壓電路的電阻分壓后的參考電壓分別接到相應(yīng)的該基于壓控振蕩器的比較器的輸入負端，各個該基于壓控振蕩器的比較器的輸出連接到該D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，各個該D觸發(fā)器的輸出端再連接到該優(yōu)先編碼器中進行編碼后輸出。
[0005]該基于壓控振蕩器的比較器的正端連接第一壓控振蕩器的控制電壓端，該基于壓控振蕩器的比較器的負端連接第二壓控振蕩器的控制電壓端，該第一壓控振蕩器與第二壓控振蕩器的參數(shù)相同，該第一壓控振蕩器的第一輸出頻率以及該第二壓控振蕩器的第二輸出頻率分別接入鑒頻器的輸入端口，該鑒頻器的輸出端口接電荷泵的控制端口，該電荷泵根據(jù)該鑒頻器的控制信號和復(fù)位控制信號對與該電荷泵相連接的電容進行充電和放電，該電容電壓通過兩個反相器輸出最后比較的結(jié)果。
[0006]該基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將該輸入電壓信號以及該參考電壓信號先通過該采樣電路進行采樣保持后，再通過該第一、第二壓控振蕩器轉(zhuǎn)化為頻率信號，再將輸出電壓信號所產(chǎn)生的該第一、第二輸出頻率信號分別與該參考電壓信號所產(chǎn)生的頻率信號進行比較，比較后的各個輸出信號接到該D觸發(fā)器，最后該D觸發(fā)器的輸出通過該優(yōu)先編碼器進行編碼輸出。
[0007]該電阻分壓電路是由2n個相等的多晶硅電阻構(gòu)成電阻陣列，其作用是將該參考電壓信號分成2n-l等分的參考電壓，其中η為量化位數(shù)。
[0008]該第一壓控振蕩器以及該第二壓控振蕩器由環(huán)形振蕩器來實現(xiàn)，其將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，輸入的信號越大，該第一、第二壓控振蕩器的輸出的震蕩頻率越高，對于該第一、第二壓控振蕩器只要求其輸出頻率隨著輸入的電壓信號單調(diào)增加。
[0009]該D觸發(fā)器的作用是將該基于壓控振蕩器的比較器的輸出鎖存到該D觸發(fā)器中，由于該電荷泵對該電容的充電和放電需要一定的時間，所以該D觸發(fā)器的觸發(fā)時鐘與該采樣電路的時鐘間隔半個時鐘周期。
[0010]本發(fā)明在具體實施的時候，該電阻分壓電路的電阻陣列為8個相同的多晶硅電阻，7個該參考電壓信號分別連接到7個帶復(fù)位控制的該基于壓控振蕩器的比較器的負端輸入，該輸入電壓信號通過該采樣電路接到7個該基于壓控振蕩器的比較器的正端，該基于壓控振蕩器的比較器的輸出結(jié)果通過7個該D觸發(fā)器接到該優(yōu)先編碼器當中進行編碼后輸出。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出的基于壓控振蕩器的比較器的全并行性模數(shù)轉(zhuǎn)化器并不是直接比較輸入電壓信號和參考電壓信號來量化的，而是將輸入電壓信號和參考電壓信號先通過采樣電路進行采樣保持后，通過壓控振蕩器轉(zhuǎn)化為頻率信號，再將輸出電壓信號所產(chǎn)生的頻率信號分別與參考電壓信號所產(chǎn)生的頻率信號進行比較，比較后的各個輸出信號接到D觸發(fā)器，最后D觸發(fā)器的輸出通過優(yōu)先編碼器進行編碼輸出。因為壓控振蕩器的輸出頻率信號可以利用數(shù)字電路進行處理，故具有較好的抗噪聲能力，由于鑒頻器和電荷泵輸出的比較結(jié)果只能取高電平或者低電平，故輸出的亞穩(wěn)態(tài)得到較好的控制，量化的輸出結(jié)果可靠度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖。
[0013]圖2是基于壓控振蕩器的比較器的結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3是壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖4是鑒頻器的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖5是電荷泵的結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖6是本發(fā)明的實例輸出信號的時域量化波形圖。
[0018]圖7是本發(fā)明的實例輸出信號的行為級仿真輸出頻譜。
【具體實施方式】
[0019]如圖1至7，本發(fā)明提出的基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖，如附圖1所示，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)包括采樣電路，電阻分壓電路，基于壓控振蕩器的比較器，D觸發(fā)器和優(yōu)先編碼器。其具體結(jié)構(gòu)如下:輸入電壓信號VIN連接采樣電路，然后連接到各個基于壓控振蕩器的比較器的輸入正端，參考電壓信號VREF經(jīng)過電阻分壓后的參考電壓V1、V2至Vn分別接到相應(yīng)的帶復(fù)位控制信號的壓控振蕩器的比較器的輸入負端，各個比較器的輸出連接到D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，D觸發(fā)器的輸出端再接到優(yōu)先編碼器進行編碼后輸出。
[0020]帶復(fù)位控制的基于壓控振蕩器的比較器的結(jié)構(gòu)，如附圖2所示，比較器的正端接壓控振蕩器(VCOl)的控制電壓端，比較器的負端接壓控振蕩器(VC02)的控制電壓端，壓控振蕩器(VCOl)和壓控振蕩器(VC02)的參數(shù)相同，輸出頻率(Frel)和輸出頻率(Fre2)分別接入鑒頻器(HF)的輸入端口(Frel和Fre2)，鑒頻器(HF)的輸出端口(UP和DN)接電荷泵的控制端口(UP和DN)，電荷泵根據(jù)鑒頻器的控制信號和復(fù)位控制信號對電容進行充電和放電，電容電壓通過兩個反相器輸出最后比較的結(jié)果，CLKN為復(fù)位控制信號，接到復(fù)位開關(guān)管的柵極。
[0021]本發(fā)明提出的基于壓控振蕩器的比較器的全并行性模數(shù)轉(zhuǎn)化器并不是直接比較輸入電壓信號和參考電壓信號來量化的，而是將輸入電壓信號和參考電壓信號先通過米樣電路進行采樣保持后，通過壓控振蕩器轉(zhuǎn)化為頻率信號，再將輸出電壓信號所產(chǎn)生的頻率信號分別與參考電壓信號所產(chǎn)生的頻率信號進行比較，比較后的各個輸出信號接到D觸發(fā)器，最后D觸發(fā)器的輸出通過優(yōu)先編碼器進行編碼輸出。因為壓控振蕩器的輸出頻率信號可以利用數(shù)字電路進行處理，故具有較好的抗噪聲能力，由于鑒頻器和電荷泵輸出的比較結(jié)果只能取高電平或者低電平，故輸出的亞穩(wěn)態(tài)得到較好的控制，量化的輸出結(jié)果可靠度聞 。
[0022]以下對本發(fā)明提出的基于壓控振蕩器的比較器的模數(shù)轉(zhuǎn)化器的系統(tǒng)和各個模塊做--介紹:
本發(fā)明見附圖1，其中附圖1中的分壓電路，是由2n個相等的多晶硅電阻構(gòu)成電阻陣列，其作用是將參考電壓VREF分成2n-l等分的參考電壓，其中η為量化位數(shù)。
[0023]附圖1中的采樣電路的作用主要是采樣和保持，使得輸入信號連接的壓控振蕩器所產(chǎn)生的頻率能夠被正確地比較量化出來，以減小量化誤差。采樣時鐘CLKN也為后面基于壓控振蕩器的比較器的復(fù)位控制端提供復(fù)位信號。
[0024]附圖1中的基于壓控振蕩器的比較器的主要作用是將采樣保持后的輸入電壓信號和參考電壓信號，通過壓控振蕩器轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的頻率信號，然后將兩個轉(zhuǎn)化后的頻率信號接到鑒頻器當中進行比較，鑒頻器的輸出連接電荷泵，控制電荷泵對負載電容Cap的充電和放電，以其來實現(xiàn)電壓信號的比較。
[0025]兩個相同的壓控振蕩器可以由環(huán)形振蕩器來實現(xiàn)，其具體結(jié)構(gòu)見附圖3，其作用主要是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號。輸入的信號越大，壓控振蕩器的輸出的震蕩頻率越高。對于壓控振蕩器只要求其輸出頻率隨著輸入的電壓信號單調(diào)增加，并沒有要求其隨著電壓信號線性增加，減小了設(shè)計的難度，即使在低壓電路設(shè)計中也是比較容易可以實現(xiàn)。
[0026]對于鑒頻器，其作用是比較兩個頻率的大小，并輸出電荷泵的控制信號。當頻率I (Frel)大于頻率2 (Fre2)的時候，鑒頻器輸出DN為高的平均有效開關(guān)電平寬度大于其輸出UP為高的平均有效開關(guān)電平寬度。當頻率I (Frel)小于頻率2(Fre2)的時候，鑒頻器輸出DN為高的平均有效開關(guān)電平寬度小于其輸出UP為高的平均有效開關(guān)電平寬度。鑒頻器的結(jié)構(gòu)可以由RS鎖存器、與非門、反相器及傳輸門構(gòu)成，如附圖4所示。
[0027]附圖2中的電荷泵的作用是根據(jù)前面鑒頻器輸出的UP和DN的平均脈沖寬度對電容進行充電以及放電。當UP輸出為低，DN輸出為低，并且此時的復(fù)位控制信號CLKN為低電平時，PMOS開關(guān)管導(dǎo)通，NMOS開關(guān)管截止，輸出電容充電；當DN輸出為高，UP輸出為低，并且CLKN為低電平時，NMOS開關(guān)管導(dǎo)通，PMOS開關(guān)管截止，輸出電容放電；當UP輸出為低，DN輸出為高，并且CLKN為低電平時，開關(guān)管都導(dǎo)通，電流不流經(jīng)電容，電容電壓保持恒定；當UP輸出為高，DN輸出為低，CLKN為低電平時，開關(guān)管都截止，電容電壓也保持恒定；當CLKN為高電平時，負載電容放電，輸出電壓復(fù)位為零。輸出電容電壓再經(jīng)過兩級反向器得到最后比較器的輸出。
[0028]D觸發(fā)器的作用是將基于壓控振蕩器的比較器的輸出鎖存到D觸發(fā)器中。由于電荷泵對電容的充電和放電需要一定的時間，故將D觸發(fā)器的時鐘延遲了半個時鐘周期。這也就是采樣電路的時鐘和比較器的復(fù)位控制信號要用CKLN的原因。
[0029]優(yōu)先編碼器的作用是將D觸發(fā)器的輸出進行編碼后輸出量化輸出信號。
[0030]以下結(jié)合上文對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個模塊功能的描述，著重分析本發(fā)明基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)化器的原理，及本發(fā)明的理論依據(jù)。
[0031]本發(fā)明主要提出了一種新的利用頻率進行量化的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的工作過程主要分為兩步:1，將參考電壓信號通過電阻陣列分成2n-l個參考電壓信號，
每個參考電壓信號相差;2，將電壓信號通過壓控振蕩器轉(zhuǎn)化為頻率信號并且比較出兩種頻率的大小。
[0032]參考電壓信號通過電阻陣列分成2n_l個參考電壓信號的原理就是簡單的分壓原理。只需要將2n個相同的多晶硅電阻串聯(lián)起來，由歐姆定律可知其能夠?qū)崿F(xiàn)分壓功能。
[0033]下面著重介紹電壓轉(zhuǎn)換成頻率并進行比較的原理。
[0034]首先，需要將電壓信號轉(zhuǎn)化成與其一一對應(yīng)的頻率信號，這可以通過環(huán)形振蕩器來實現(xiàn)。若環(huán)形振蕩器的輸出頻率為Fre，控制電壓為V，則振蕩器的頻率輸出Fre可以表示為
Fre=F(V)(I)
其中/OO為壓控振蕩器的電壓-頻率函數(shù)。只要F(V)是單值函數(shù)，由公式(I)可以得知，電壓信號和頻率信號是一一對應(yīng)的關(guān)系。要實現(xiàn)電壓信號越大頻率信號越大，則還需要F(V)為單調(diào)遞增函數(shù)。這兩個條件即使在低壓下也可以很容易地實現(xiàn)。而且，由于壓控振蕩器的增益可以做到非常高，即使所比較的電壓信號相差不大，經(jīng)過壓控振蕩器之后也可以變成相差較大的頻率信號。
[0035]然后，要將頻率信號比較出來，這可以用鑒頻器和電荷泵來實現(xiàn)。當比較器復(fù)位控制信號CLKN無效的時候，若鑒頻器的輸入端Frel的頻率小于Fre2的頻率，輸出DN有較寬的有效開關(guān)電平寬度而輸出UP只有窄的復(fù)位延時的時間為低電平。電荷泵因此將對電容以恒定電流I進行放電，直到電容Cap兩端電壓為0，才停止放電。同理，當頻率Frel小于Fre2時，輸出DN只有窄的高電平的復(fù)位脈沖寬度而輸出UP有較寬的低電平有效開關(guān)電平寬度，若復(fù)位控制信號無效，電荷泵將對電容以恒定電流I進行充電，直到電容Cap的電壓為VDD，或者復(fù)位控制信號有效時才停止。單位時間電容所變化的電壓如下面(2)式所決定:
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:包括米樣電路、電阻分壓電路、基于壓控振蕩器的比較器、D觸發(fā)器以及優(yōu)先編碼器，其中，輸入電壓信號輸入到該采樣電路中，而后由該采樣電路將該輸入電壓信號傳輸?shù)礁鱾€該基于壓控振蕩器的比較器的輸入正端，參考電壓信號經(jīng)過該電阻分壓電路的電阻分壓后的參考電壓分別接到相應(yīng)的該基于壓控振蕩器的比較器的輸入負端，各個該基于壓控振蕩器的比較器的輸出連接到該D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端，各個該D觸發(fā)器的輸出端再連接到該優(yōu)先編碼器中進行編碼后輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該基于壓控振蕩器的比較器的正端連接第一壓控振蕩器的控制電壓端，該基于壓控振蕩器的比較器的負端連接第二壓控振蕩器的控制電壓端，該第一壓控振蕩器與第二壓控振蕩器的參數(shù)相同，該第一壓控振蕩器的第一輸出頻率以及該第二壓控振蕩器的第二輸出頻率分別接入鑒頻器的輸入端口，該鑒頻器的輸出端口接電荷泵的控制端口，該電荷泵根據(jù)該鑒頻器的控制信號和復(fù)位控制信號對與該電荷泵相連接的電容進行充電和放電，該電容電壓通過兩個反相器輸出最后比較的結(jié)果， 該基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將該輸入電壓信號以及該參考電壓信號先通過該采樣電路進行采樣保持后，再通過該第一、第二壓控振蕩器轉(zhuǎn)化為頻率信號，再將輸出電壓信號所產(chǎn)生的該第一、第二輸出頻率信號分別與該參考電壓信號所產(chǎn)生的頻率信號進行比較，比較后的各個輸出信號接到該D觸發(fā)器，最后該D觸發(fā)器的輸出通過該優(yōu)先編碼器進行編碼輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該電阻分壓電路是由2n個相等的多晶硅電阻構(gòu)成電阻陣列，其作用是將該參考電壓信號分成2n-l等分的參考電壓，其中η為量化位數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該第一壓控振蕩器以及該第二壓控振蕩器由環(huán)形振蕩器來實現(xiàn)，其將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化為頻率信號，輸入的信號越大，該第一、第二壓控振蕩器的輸出的震蕩頻率越高，對于該第一、第二壓控振蕩器只要求其輸出頻率隨著輸入的電壓信號單調(diào)增加。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該D觸發(fā)器的作用是將該基于壓控振蕩器的比較器的輸出鎖存到該D觸發(fā)器中，由于該電荷泵對該電容的充電和放電需要一定的時間，所以該D觸發(fā)器的觸發(fā)時鐘與該采樣電路的時鐘間隔半個時鐘周期。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓控振蕩器的比較器的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:該電阻分壓電路的電阻陣列為8個相同的多晶硅電阻，7個該參考電壓信號分別連接到7個帶復(fù)位控制的該基于壓控振蕩器的比較器的負端輸入，該輸入電壓信號通過該采樣電路接到7個該基于壓控振蕩器的比較器的正端，該基于壓控振蕩器的比較器的輸出結(jié)果通過7個該D觸發(fā)器接到該優(yōu)先編碼器當中進行編碼后輸出。
【文檔編號】H03M1/36GK103532557SQ201310539085
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】吳小剛 申請人:吳小剛