一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器

技术领域

本发明涉及模数转换器领域，特别是一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器。

背景技术

传统的单级逐次逼近模数转换器(SAR ADC)依赖电容式数模转换器(CDAC)产生残余电压，并通过比较器对残余电压的极性进行判断，随着精度的提升，模数转换器的总电容呈现指数增长，残余电压也缩小到亚毫伏，分辨率受电容不匹配和比较器噪声的影响较大。为了实现更高精度的模数转换器，多级SAR ADC被提出。与单级结构不同，多级SAR ADC的精度主要受限于残差放大器(RA)的增益误差和失调电压。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，通过引入差异差分放大器作为残差放大器构成二级SARADC架构，利用该架构通过一次性校准来消除失调电压，通过电阻网络形成负反馈来提供稳定的增益，能够实现更高的转换精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，包括依次连接的第一级子ADC、差异差分放大器以及第二级子ADC，所述第一级子ADC以及第二级子ADC均由电容阵列和比较器组成；还包括校准电路以及数字逻辑控制电路，所述校准电路用于一次性校准各个放大器和比较器的失调电压；所述数字逻辑控制电路用于控制两个子ADC的工作时序；

所述差异差分放大器由跨导放大器GM1、跨导放大器GM2、电阻负载R以及比例电阻R1和R2组成，所述跨导放大器GM1，电阻负载R和跨导放大器GM2组成负反馈回路；其中，所述比例电阻R1和R2用于调节放大器的增益；

基于上述架构的具体工作步骤如下：

步骤Ⅰ，开关S1闭合，信号电压被保存到第一级子ADC的电容阵列中；

步骤Ⅱ，开关S1断开，第一级子ADC的电容阵列会依次进行翻转，电容阵列中存储的电荷会进行重新分配，跨导放大器GM1输入端的压差会逐渐减小；

步骤Ⅲ，当第一级子ADC电容阵列的最后一个对电容翻转完成后，开关S2闭合，第二级子ADC电容阵列会存储残差放大器输出的电压；

步骤Ⅳ，开关S2断开，第二级子ADC的电容阵列会依次进行翻转，重新分配电荷，减小压差；

步骤Ⅴ，整合第一级子ADC电容阵列和第二级子ADC电容阵列的翻转情况，输出最终量化后的信号。

进一步地，基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器的工作过程：首先通过第一级子ADC粗略地将差分输入信号数字化并产生残余电压，再将残余电压由差异差分放大器放大，接着通过所述第二级子ADC进一步数字化，最后将两个子ADC的输出在输出电路中进行校正和组合，生成16位数字输出。

进一步地，所述差异差分放大器的具体工作过程如下：首先将由第一级子ADC产生的残余电压经过跨导放大器GM1后变成电流信号Ii

进一步地，所述跨导放大器GM1和所述跨导放大器GM2的输出电流分别为：

Ii

其中，G

进一步地，所述差异差分放大器的输出电压为：

Vo＝R·(Ii

进一步地，所述差异差分放大器的增益为：

当1/G

通过调节R1和R2的电阻比例，来灵活调节放大器的增益。

有益效果：本发明的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，至少包括以下优点：

1.通过引入差异差分放大器作为残差放大器构成二级SAR ADC架构，有效减小增益误差，提升模数转换器的精度。

2.相较于传统的基于电容反馈的闭环放大器结构，面积更小，成本更低。

3.相较于基于电阻反馈的闭环放大器结构，无需增加缓冲级，不会造成电荷泄漏。

4.相较于基于开环G

附图说明

附图1为基于差异差分放大器的模数转换器电路示意图；

附图2为本申请所提出的模数转换器架构的结构图；

附图3为现有的残差放大器结构的结构图；

附图4为基于差异差分放大器的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所述的一种基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器，包括依次连接的第一级子ADC、差异差分放大器以及第二级子ADC，所述第一级子ADC以及第二级子ADC均由电容阵列和比较器组成；还包括校准电路以及数字逻辑控制电路，所述校准电路用于一次性校准各个放大器和比较器的失调电压；所述数字逻辑控制电路用于控制两个子ADC的工作时序；

与传统架构一样，本申请所提出的模数转换器如附图2所示，包含两个子ADCSTGADC1和STGADC2，一个残差放大器，一个数字逻辑控制电路以及一个校准电路；为了达到低噪声和高线性度的目的，STGADC1一般采用大面积和高功率。STGADC2在保持必要分辨率的前提下，最小化残差放大器的面积成本和容性负载；

如附图3所示，现有的残差放大器结构主要包括基于电容反馈的闭环放大器、基于电阻反馈的闭环放大器以及基于G

而本申请所采用的残差放大器结构是基于差异差分放大器电路实现的；基于差异差分放大器的二级逐次逼近模数转换器的工作过程：首先通过第一级子ADC粗略地将差分输入信号数字化并产生残余电压，再将残余电压由差异差分放大器放大，接着通过所述第二级子ADC进一步数字化，最后将两个子ADC的输出在输出电路中进行校正和组合，生成16位数字输出。

如附图4所示，所述差异差分放大器由跨导放大器GM1、跨导放大器GM2、电阻负载R以及比例电阻R1和R2组成，所述跨导放大器GM1，电阻负载R和跨导放大器GM2组成负反馈回路；其中，所述比例电阻R1和R2用于调节放大器的增益；

所述第一级子ADC的电容阵列与所述跨导放大器GM1、电阻负载R以及所述第二级子ADC的电容阵列依次串联，所述第一级子ADC的电容阵列输入端设置开关S1，所述第二级子ADC的电容阵列输入端设置开关S2，所述电阻负载R的信号接地线路中串接所述比例电阻R1和R2，所述跨导放大器GM2电压信号接收连接于所述比例电阻R1和R2中任意一个两端的电压，所述跨导放大器GM2电流信号输出连接于所述电阻负载R；

所述差异差分放大器的具体工作过程如下：首先将由第一级子ADC产生的残余电压经过跨导放大器GM1后变成电流信号Ii

所述跨导放大器GM1和所述跨导放大器GM2的输出电流分别为：

Ii

其中，G

所述差异差分放大器的输出电压为：

Vo＝R·(Ii

所述差异差分放大器的增益为：

当1/G

通过调节R1和R2的电阻比例，来灵活调节放大器的增益。

基于上述架构的具体工作步骤如下：

步骤Ⅰ，开关S1闭合，信号电压被保存到第一级子ADC的电容阵列中；

步骤Ⅱ，开关S1断开，第一级子ADC的电容阵列会依次进行翻转，电容阵列中存储的电荷会进行重新分配，跨导放大器GM1输入端的压差会逐渐减小；

步骤Ⅲ，当第一级子ADC电容阵列的最后一个对电容翻转完成后，开关S2闭合，第二级子ADC电容阵列会存储残差放大器输出的电压；

步骤Ⅳ，开关S2断开，第二级子ADC的电容阵列会依次进行翻转，重新分配电荷，减小压差；

步骤Ⅴ，整合第一级子ADC电容阵列和第二级子ADC电容阵列的翻转情况，输出最终量化后的信号。

以上描述仅为本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明上述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也同样视为本发明的保护范围。