用于线性化的具有频率控制开关电容器反馈的VCO-ADC

技术领域

本发明一般地涉及一种用于线性化的具有开关电容器反馈的电压控制振荡器(VCO)模数转换器(ADC)，并且在特定实施例中，涉及一种系统和用于操作具有提高的线性度的VCO的方法。

背景技术

数字麦克风可以被容纳在半导体封装件中，该半导体封装件包括MEMS电容传感器、模数转换器(ADC)、用以偏置MEMS传感器并提供数字接口的支持电路。

经典麦克风ADC可以被实施为开关电容器累加增量调制器(sigma-deltamodulator)。市场趋势要求这些ADC的功耗和动态范围提高，以促进在移动和物联网(IoT)设备中的新应用，诸如始终在线的语音监测。另外，这些新应用包括将麦克风连同其他数字计算密集型功能，嵌入在高密度片上系统(SoC)中。这些SoC组件被理想地实施在深亚微米CMOS工艺中，该深亚微米CMOS工艺可能与开关电容器累加增量调制器ADC不完全兼容。

发明内容

根据实施例，一种模数转换器(ADC)包括：第一控制振荡器(CO)，被配置用于生成至少一个相位信号，并且其中至少一个相位信号被配置用于生成ADC的第一输出信号；以及至少一个第一频率控制电阻器(FDR)，被配置用于接收由第一CO生成的至少一个相位信号，其中第一CO和至少一个第一FDR在ADC的第一减法节点处耦合在一起，并且其中第一减法节点被配置用于接收第一输入信号。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：

图1是示例性数字麦克风的框图；

图2A是根据实施例的开环VCO-ADC的框图；

图2B是根据实施例的闭环VCO-ADC的框图；

图3A是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO的示意图；

图3B是根据另一实施例的用于在VCO-ADC使用中的、包括模拟反馈环路的VCO的示意图；

图4是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO的高级示意图；

图5是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO的晶体管级示意图；

图6是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO的另一晶体管级示意图；

图7A是示例性VCO的电压频率特性的曲线图；

图7B是根据实施例的包括模拟反馈环路的VCO的电压频率特性的曲线图；

图8是根据另一实施例的包括模拟反馈环路并且还包括MEMS装置和偏置电路的VCO的框图；以及

图9是根据实施例的操作具有提高的线性度的VCO的方法的框图。

具体实施方式

在下面详细讨论了当前优选的实施例的制造和使用。然而，应该了解的是，本发明提供了许多适用的发明概念，这些发明概念可以被体现在各种具体上下文中。所讨论的具体实施例仅说明制造和使用本发明的具体方式，并且不限制本发明的范围。

在以下详细描述中，参考了附图，附图形成详细描述的一部分并且通过图示的方式示出可以在其中实践本发明的具体实施例。要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑的变化。例如，针对一个实施例图示或描述的特征可以在其他实施例上使用或者与其他实施例结合使用，以产生又一实施例。本发明旨在包括这种修改和变化。这些示例是使用具体语言描述的，该具体语言不应被解释为限制所附权利要求的范围。附图未按比例绘制，并且仅用于说明性目的。为了清晰起见，如果没有另外规定，则相同或类似的元件在不同的附图中由对应的附图标记指定。

本发明的各实施例包括VCO，该VCO包括具有提高的线性度特性的模拟反馈环路。在一个示例中，VCO包括振荡器，该振荡器的频率与在输入节点处提供的电压成比例。与振荡器的振荡频率成比例的反馈电流经由频率相关电阻器从输入节点被减去。因此，当输入电压经由电阻器被施加到输入节点时，电流反馈用于对VCO的输出频率与施加的输入电压特性进行线性化。在具体实施方式中，VCO使用环形振荡器(RO)来实施，该环形振荡器(RO)具有以环形配置耦合的多个反相器级。环形振荡器的一个或多个级的输出耦合至与多个反相器级并联耦合的对应频率相关电阻器(FDR)的控制节点。在一些实施例中，频率相关电阻器可以使用开关电容器电阻器来实施。然而，为了更好地理解，数字麦克风、开环VCO-ADC和闭环VCO-ADC的框图将在下面立即描述。

图1是包括MEMS装置102和专用集成电路(ASIC)104的示例性数字麦克风100的框图。MEMS装置102包括在BLACKPLATE1引脚和BLACKPLATE 2引脚上生成模拟电压的电容装置103，并且在MEMRABNE引脚上接收偏置电压。MEMS装置102可以使用高欧姆电阻器(图1中未示出)来进行偏置。ASIC 104包括集成电路，该集成电路包括用于生成偏置电压的MEMS偏置电荷泵106、用于向各种ASIC组件供应经调节的电源电压的电压调节器108、用于接收从MEMS装置102接收的放大模拟电压的放大器(AMP)110、以及用于将放大的模拟电压转换为数字信号的ADC 112。ASIC 104还包括用于处理数字信号的其他数字信号处理组件114、以及耦合至DATA引脚、SELECT引脚和CLOCK引脚的一位脉冲密度调制(PDM)接口116。附加数字电路和存储装置被包括在数字核心组件118中，数字核心组件118耦合至功率模式检测器120的和校准系数组件122。在数字麦克风100的框图中，可以使用附加组件或者可以省略一些组件。也可以使用不同的组件。例如，MEMS装置102可以包括膜和背板的不同配置。

在一些实施例中，ADC 112可以包括VCO-ADC，VCO-ADC可以包括开环VCO-ADC或闭环VCO-ADC。下面描述的图2A是开环VCO-ADC 112A的框图，并且下面描述的图2B是闭环VCO-ADC112B的框图。

VCO-ADC 112A包括用于接收模拟输入电压的输入x(t)和用于提供“M”位数字输出信号的输出y[n]，其中M是大于1的整数。在实施例中，第一放大器202A向模拟输入电压提供1/2的增益，并且第二放大器202B向模拟输入电压提供-1/2的增益。标出为VCO

VCO-ADC 112B包括用于接收模拟输入电压的输入x(t)和用于提供“M”位数字输出信号的输出y[n]，以及内部信号u[t]和y[t]，其中M是大于1的整数。在实施例中，第一放大器202A向内部信号u[t]提供1/2的增益，并且第二放大器202B向内部信号u[t]提供-1/2的增益。标出为VCO

图2A和图2B所示的ADC架构基于电压控制振荡器(VCO)。在这些类型的转换器中，由电容MEMS装置提供的低电平电压被施加到用由数字反相器制成的环形振荡器(RO)实施的VCO，如将在下面进一步详细解释的。如先前解释的，这些类型的转换器被标出为VCO-ADC。VCO-ADC的一个优点在于主要使用数字电路(诸如RO反相器)的其实施方式，这允许使用数字工具对电路进行部分合成，并且能够在深亚微米CMOS工艺中实施。

如图2A和图2B所示，存在两种类型的VCO-ADC，开环和闭环。开环VCO-ADC用输入信号调制VCO，并且用频率到数字转换器测量输出频率。闭环VCO-ADC使用VCO作为一阶累加增量调制器的积分器，并且在VCO周围放置采样反馈环路。

在实施例中，VCO-ADC数字麦克风使用开环或闭环VCO-ADC来制作。在一些实施例中，开环拓扑被选择，由于它非常大的动态范围、简单性、抖动不敏感性、以及在无需任何前置放大器的情况下连接至MEMS装置的可能性。然而，开环VCO-ADC受到由VCO的非线性调谐曲线引起的失真的强烈影响，该非线性调谐曲线使输出频率与输入电压相关。另外，开环VCO-ADC使它们对VCO中的闪烁噪声(flicker noise)敏感。在一些情况下，闪烁噪声可以通过增加RO中的反相器数目来减轻，这可能会使数字麦克风中使用的数字电路复杂化。

实施例有利地采用一种新颖的VCO架构，该VCO架构使用由围绕VCO实施模拟反馈环路的振荡器计时的开关电容器电路。失真和噪声如在反馈放大器中那样通过环路增益得到改进，在这种情况下，环路增益采用VCO增益常数K

图3A是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO电路的示意图。为了清晰起见，频率到数字转换器被省略。VCO电路300A包括RO-VCO 302，RO-VCO 302通过二极管配置中的MOS晶体管M1(耦合至晶体管M1的漏极的晶体管M1的栅极)而被偏置。RO-VCO 302耦合在节点308处的晶体管M1的漏极与参考电压(接地)之间，节点308是虚拟接地节点。节点308也是反馈节点或减法节点，如将在下面进一步详细解释的。晶体管M1的源极耦合至模拟电源电压源VDDA。VCO电路300的输入电压V

图3A的左上部分示出了FDR 306的细节，其中电阻器组件耦合在节点“a”与“b”之间。FDR的控制输入被标记为节点“f”。FDR306的门级(gate-level)实施方式被示出为包括反相器310，其中反相器310的输入耦合至节点“f”。在实施例中，反相器310包括CMOS反相器，该CMOS反相器包括PMOS晶体管和NMOS晶体管。CMOS反相器的示例在图5和图6中最好地示出，并且在下面详细描述。反相器310的电源端子耦合在节点“a”与“b”之间。电容器312耦合至反相器310的输出。在操作中，流过节点“a”与“b”之间的FDR306的平均电流与在节点“f”处的控制输入处的频率成正比，假设节点“a”与“b”之间的电压具有很小的变化。

在操作中，RO-VCO 302通过MOS二极管(或电流源)被偏置，诸如先前描述的二极管连接的晶体管M1。VCO电路300的频率由频率相关电阻器(FDR)306转换为电流，频率相关电阻器(FDR)306的电路是负载有先前描述的固定电容器的反相器。FDR 306的使用创建了虚拟接地节点308，因为电流源(晶体管M1)的电流在RO-VCO302的电流与通过FDR 306的电流之间分流。如果RO-VCO 302的频率增大，则通过FDR 306的电流增大，这会减小来自RO-VCO302的电流，这然后会降低频率。这种操作方式会创建负反馈环路。输入信号V

在图3A中，输入电阻器R

图4示出了实施例VCO电路400，VCO电路400的操作原理适用于本文描述的其他实施例。例如，图3A的VCO电路300可以根据相对于图4的VCO电路400描述的原理来理解。VCO电路400被表示为反相配置中的运算放大器414，其中运算放大器的输出以频率(f

图4因此示出了包括反相放大器414的VCO电路400，反相放大器414具有耦合在负输入416与反相放大器的输出之间的RO-VCO402。FDR 406耦合在负输入416与反相放大器414的输出之间。负输入416是减法节点。输入电压V

假设K

其中f

VCO的调谐曲线中的失真由FDR所产生的负反馈进行校正。VCO的调谐曲线的校正量与K

尽管图3A、图3B和4示出了包括模拟反馈路径的VCO的高级表示，但是根据实施例，其他这样的高级表示是可能的。在图5和图6中示出了包括模拟反馈的VCO的晶体管级示意图，并且在下面描述。

图5是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO的晶体管级示意图。VCO电路500包括RO-VCO，该RO-VCO包括以环形振荡器配置耦合的多个反相器，其中反相器的输出耦合至反相器环中的后续反相器的输入。RO-VCO包括：第一反相器，包括PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M7；第二反相器，包括PMOS晶体管M4和NMOS晶体管M8；第三反相器，包括PMOS晶体管M5和NMOS晶体管M9；以及第四(第N)反相器，包括PMOS晶体管M6和NMOS晶体管M10。虽然为了图示的简单性，在图5中示出了四个反相器，但是本领域技术人员将了解的是，可以使用任何数目的反相器。然而，在一些实施例中，少的数目的反相器仍然可以被使用，同时维持可接受的线性度水平。第一反相器的输出生成第一相位信号phi

在图5中，多个FDR 502、504、506和508各自接收用于控制FDR的电阻值的相位信号中的一个相位信号。例如，FDR 502由phi

上述反相器和FDR包括VCO单元510。VCO单元510耦合在节点512(V

图6是根据实施例的用于在VCO-ADC中使用的、包括模拟反馈环路的VCO的另一晶体管级示意图。VCO电路600包括两个VCO单元510A和510B，VCO单元510A和510B两者都类似于先前描述的VCO单元510。为了清晰起见，相位信号、晶体管和其他标记被省略。VCO单元510A包括第一去耦电容器602，并且VCO单元510B包括第二去耦电容器608。VCO电路600被配置为伪差分配置，其中第一输入电压INp2被施加到第一输入电阻器604以生成到VCO单元510A的第一输入电流。第二输入电压Inn2被施加到第二输入电阻器606以生成到VCO单元510B的第二输入电流。偏置电流由包括PMOS晶体管M11、M12和M13的多输出电流镜提供给VCO单元510A和VCO单元510B。在实施例中，晶体管M11、M12和M13的源极都耦合至模拟电源电压源VDDA。电流镜的输入接收偏置电流610，电流镜的第一输出(晶体管M11的漏极)向VCO单元510A提供第一偏置电流，并且电流镜的第二输出(晶体管M12的漏极)向VCO单元510B提供第二偏置电流。在实施例中，第一偏置电流和第二偏置电流的值可以等于偏置电流610。

图5和图6的晶体管级示意图示出了为在深亚微米CMOS半导体技术中实施而设计的VCO电路。图5的VCO电路已经使用单端配置进行设计。图6的VCO电路已经使用伪差分配置进行设计，该伪差分配置具有两个相同路径以容纳差分输入信号，这进一步提高了VCO电路的电源抑制比(PSRR)和失真。

图7A是示例性RO-VCO的电压频率特性702的曲线图，该示例性RO-VCO不包括实施例的基于FDR的模拟反馈路径，而仅包括环形振荡器。在图7A中可以看出，电压频率特性702包括非线性度，尤其是在较低输入电压处。

图7B是根据图3、图4、图5和图6所示类型的实施例的包括模拟反馈环路(包括FDR)的RO-VCO的电压频率特性704的曲线图。可以在图7B中看出，针对所有输入电压，电压频率特性704有利地比电压频率特性702更线性。一些实施例RO-VCO可以有利地具有基本上线性电压-频率特性。

图8是根据另一实施例的包括模拟反馈环路并且还包括MEMS装置和偏置电路的RO-VCO 800的框图。在相关部分中，RO-VCO包括跨导放大器(GM)808，放大器808用于将由MEMS装置806生成的电压直接转换为由VCO单元使用的电流，该VCO单元包括FDR810和VCO812以及VCO 814和FDR 816。MEMS装置806被“偏置”电压偏置，并且电压输出耦合至高欧姆电阻器802和804，高欧姆电阻器802和804继而耦合至“V

图9是根据实施例的操作具有提高的线性度的VCO的方法900的框图。该方法包括：在步骤902处，响应于第一输入电压，在第一控制振荡器(VCO)中生成第一多个相位信号；在步骤904处，用由第一VCO生成的相位信号，控制第一多个频率相关电阻器(FDR)；在步骤906处，将第一VCO和第一多个FDR耦合至第一反馈节点；以及在步骤908处，用第一多个相位信号中的至少一个相位信号，生成第一输出电压。

总之，与仅包括振荡器环的RO-VCO相比，包括FDR模拟反馈的RO-VCO具有提高的线性度。根据各实施例，本文描述的RO-VCO可以被用于VCO-ADC中，该VCO-ADC继而可以被用于也具有提高的线性度特性的数字麦克风中。包括实施例VCO-ADC的数字麦克风的仿真结果预测在107dBspl(分贝声压级)处的峰值信噪比(Signal-to-Noise Distortion Ratio，SNDR)为82dB，在94dBspl处的SNDR为70dB，并且动态范围接近100dB处于1.5V的功耗为80μA。如先前描述的，与现有技术的RO-VCO相比，实施例RO-VCO可以在深亚微米半导体工艺中制作，具有提高的线性度，并且具有功率和大小节省。

虽然本发明的ADC的实施例已经相对于基于VCO的实施例进行了描述，但本文示出和描述的任何VCO(诸如VCO 302、VCO 402和VCO单元510A和510B)都可以用控制振荡器(CO)代替，诸如在一些实施例中的电流控制振荡器(CCO)。

本发明的示例实施例在此处概述。其他实施例也可以从本说明书的全部内容以及本文提交的权利要求理解。

示例1.根据一个实施例，一种模数转换器(ADC)包括：第一控制振荡器(CO)，被配置用于生成至少一个相位信号，并且其中该至少一个相位信号被配置用于生成ADC的第一输出信号；以及至少一个第一频率控制电阻器(FDR)，被配置用于接收由第一CO生成的至少一个相位信号，其中第一CO和至少一个第一FDR在ADC的第一减法节点处耦合在一起，并且其中第一减法节点被配置用于接收第一输入信号。

示例2.根据示例1的ADC，还包括：第二控制振荡器(CO)，被配置用于生成至少一个相位信号，并且其中该至少一个相位信号被配置用于生成ADC的第二输出信号；以及至少一个第二频率控制电阻器(FDR)，被配置用于接收由第二CO生成的至少一个相位信号，其中第二CO和至少一个第二FDR在ADC的第二减法节点处耦合在一起，并且其中第二减法节点被配置用于接收第二输入信号。

示例3.根据先前示例中任何一个示例的ADC，还包括耦合至第一减法节点的第一偏置电流发生器。

示例4.根据先前示例中任何一个示例的ADC，还包括耦合至第二减法节点的第二偏置电流发生器。

示例5.根据先前示例中任何一个示例的ADC，其中第一偏置电流发生器和第二偏置电流发生器包括电流镜，该电流镜被配置用于接收参考偏置电流。

示例6.根据先前示例中任何一个示例的ADC，还包括：在第一输入信号的源与第一减法节点之间的第一输入电阻器和/或第一电容器。

示例7.根据先前示例中任何一个示例的ADC，其中第一输入信号由传感器生成。

示例8.根据先前示例中任何一个示例的ADC，还包括分频器，该分频器插置于第一CO与至少一个第一FDR之间。

示例9.根据先前示例中任何一个示例的ADC，其中至少一个第一FDR包括负载有电容器的反相器。

示例10.根据先前示例中任何一个示例的ADC，其中第一CO和至少一个第一FDR耦合在第一减法节点与参考节点之间。

示例11.根据一个实施例，一种数字麦克风包括：微机电系统(MEMS)装置；专用集成电路(ASIC)，其中ASIC包括耦合至MEMS装置的模数转换器(ADC)、以及耦合至ADC的至少一个数字信号处理组件，其中ADC包括第一控制振荡器(CO)，第一CO耦合至第一多个频率控制电阻器(FDR)，第一多个FDR被配置用于接收由第一CO生成的相位信号，并且其中第一CO和第一多个FDR耦合至ADC的第一减法节点。

示例12.根据示例11的数字麦克风，其中ADC还包括耦合至第二多个FDR的第二CO。

示例13.根据先前示例中任何一个示例的数字麦克风，其中第一CO包括多个反相器。

示例14.根据先前示例中任何一个示例的数字麦克风，其中第一多个FDR各自分别负载有电容器的多个反相器。

示例15.根据先前示例中任何一个示例的数字麦克风，其中MEMS装置和ASIC被制作在半导体封装件中。

示例16.根据一个实施例，一种方法包括：响应于第一输入信号，在第一控制振荡器(CO)中生成第一多个相位信号；用由第一CO生成的相位信号，控制第一多个频率相关电阻器(FDR)；将第一CO和第一多个FDR耦合至第一反馈节点；以及用第一多个相位信号中的至少一个相位信号，生成第一输出信号。

示例17.根据示例16的方法，还包括：响应于第二输入信号，在第二控制振荡器(CO)中生成第二多个相位信号；用由第二CO生成的相位信号，控制第二多个频率相关电阻器(FDR)；将第二CO和第二多个FDR耦合至第二反馈节点；以及用第二多个相位信号中的至少一个相位信号，生成第二输出信号。

示例18.根据先前示例中任何一个示例的方法，其中第一CO包括多个反相器。

示例19.根据先前示例中任何一个示例的方法，其中第一多个FDR包括各自负载有电容器的多个反相器。

示例20.根据先前示例中任何一个示例的方法，其中第一CO包括电压控制振荡器(VCO)或电流控制振荡器(CCO)。

虽然本发明已经参照说明性实施例描述，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。在参照描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例，对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。