专利名称：用于德耳塔西格马模拟数字转换器的增益控制的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及Δ-∑转换器，更具体地，涉及具有可编程增益的模拟数字转换器中的Δ-∑调制器。
相关申请的交叉引用本申请要求于2004年3月31日提交的美国序列No.10/816,266的优先权。
背景技术：
为了提供高分辨率数据转换，模拟数字转换器(ΔDC)使用Δ-∑调制器。这些调制器使用多个过采样技术，以使得便于进行所述数据转换。通常，提供有输入开关网络，其用于将在第一阶段中的电压输入采样到输入采样电容上。在第二阶段中，所存储的电荷被转移或者“排放(dump)”到由放大器和反馈电容构成的积分器的输入上，该排放操作将电荷转移到反馈电容。放大器的另一输入接地。提供有另一开关电容或采样网络，其用于采样调制器的输出信号并且以电荷包的形式将反馈提供给积分器。这可通过如下操作而便于进行，即，将参考电压采样到反馈采样电容上，然后将来自该电容的电荷排放到积分器的输入上以转移到反馈电容。调制器的增益是在比较器判决周期期间从输入采样电容转移到反馈电容的电荷量与从反馈采样电容转移到反馈电容的电荷量的比率。通过如下操作来便于进行增益调节，即，相对于由于将参考电压采样到反馈采样电容上而转移到积分电容上的电荷量，改变由于将输入电压采样到输入采样电容上而转移到反馈电容的电荷量。通过改变反馈电容的尺寸或者输入电容的尺寸，或者影响从这两个电容转移到积分器的电荷量，可以改变增益。
发明内容
在本发明的一个方面，本文所公开并要求保护的本发明包括一种用于驱动Δ-∑转换器中的积分器的输入的方法，该积分器具有放大器，其具有非反向输入、输出和连接到参考电压的正输入；以及积分电容，连接在非反向输入与输出之间。以第一速率将输入电压采样到输入采样电容上，然后在第二时间以第一速率将电荷从输入采样电容排放到放大器的非反向输入。以基本上第一速率将参考电压采样到反馈采样电容上，并且以不同于第一速率的第二速率将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入。将从反馈采样电容排放电荷的时间量控制为基本上等于从输入采样电容排放电荷的时间量，其中相对于第一速率变化第二速率改变了Δ-∑转换器的增益。
为了更完全地理解本发明及其优点，现在结合附图参考下文的说明，图中图1例示了本发明的Δ-∑调制器的示意图；图2例示了用于采样电路的操作的一组时序图；图3例示了电荷转移操作的第一阶段的示意图；图4例示了电荷转移操作的第二阶段、电荷排放操作的简化图；图5例示了对于反馈采样电容的充电图。
具体实施例方式
现在参考图1，例示了Δ-∑调制器的示意图。Δ-∑调制器包括开关电容采样电路102，其用于接收输入节点104上的模拟输入电压。该电压被输入受定时信号1的控制的开关电容106。开关106的另一侧连接到节点108。节点108连接到开关110的一侧，开关110的另一侧接地，开关110受定时信号2的控制。节点108连接到由C1标记的输入采样电容112的一侧，输入采样电容112的另一侧连接到节点114。节点114连接到开关116的一侧，开关116的另一侧接地，开关116受定时信号1的控制。节点114还连接到开关118的一侧，开关118的另一侧连接到节点120。开关118受定时信号2的控制。
节点120连接到放大器122的反向输入，放大器122的输出连接到输出节点124。放大器122的正输入接地。然而，该正输入可以连接到任何参考电压，诸如公共模式参考电压。反馈电容126连接在放大器122的负反向输入与其输出之间，即节点120与124之间，由此形成积分器。
提供了反馈开关电容电路130，用于选择性地采样正参考电压VREF+或参考电压VREF-。参考电压VREF+连接到节点132，节点132连接到开关134的一侧。开关134的另一侧连接到节点136。负参考电压VREF-连接到输入节点138，节点138的另一侧连接到开关140的一侧，开关140的另一侧连接到节点136。开关134受定时信号1·D-Bar的控制，而开关140受信号1·D的控制。信号“D”是反馈数字信号，其确定应当将正电荷还是负电荷转移到反馈电容126。
节点136连接到开关146的一侧，开关146的另一侧接地，开关146受定时信号2的控制。节点136还连接到反馈采样电容148的一侧，反馈采样电容148的另一侧连接到节点150。节点150连接到开关152的一侧，开关152的另一侧接地，并且开关152受定时信号1的控制。此外，节点150连接到开关154的一侧，开关154的另一侧接地，并且开关154受定时信号2·A-Bar的控制。信号A-Bar是定时信号，其提供对于从反馈电容148向反馈电容126排放电荷包的控制。节点150连接到开关156的一侧，开关156的另一侧连接到放大器122的非反向输入上的节点120，开关156受定时信号2·A的控制。
根据用于Δ-∑调制器的普通技术来处理积分器在节点124上的输出，并且该处理经过不同调制器级160。这提供了控制信号“D”，该信号用于控制在将参考电压采样到反馈采样电容148上的过程中正或负参考电压中的哪个连接到节点136。通常，调制器级160可以包括模拟滤波器和用于将信号转换成表示采样输入的平均值的数字脉冲序列的数字转换电路的任意组合，还包括数字滤波器。这提供了所述输出。此外，定时由常规定时电路162提供，该常规定时电路162用于生成时钟定时信号1和2，以及增益控制定时信号A。这可以由输入到其的、将改变其定时的增益控制信号来控制，如下文将要描述的。
Δ-∑调制器的增益正比于输入采样电容与反馈采样电容148的比率。通过控制从反馈采样电容转移到对于积分器的输入的电荷包的数目，来改变采样电容的影响。反馈采样电容的实际值未变；而是对从节点150向节点120的“排放”操作的定时进行控制，以使得与从关联于输入采样电容112的节点114多次排放电荷相比，从反馈采样电容148一次性排放电荷。这受定时信号A的控制。
现在参照图2，例示了描述图1的Δ-∑转换器的操作的时序图。信号1和2通常是非交迭时钟。当1在沿202变高时，开关106和开关116都闭合，由于2为低，开关110和118断开。这是采样阶段，其中在电容112上采样节点104上的模拟信号。由于连接到节点114的电容112的板极接地，所以电容102上的电压将为VIN。当然，应当理解，开关110和116都可以参考非地电压。由此，当1为高时，对于直到下降沿204的脉冲长度，输入电压被采样到电容112。根据开关106与电容112之间的串连电阻，以及电容112与开关116之间的串连电阻，以及电容112的尺寸，电容112上的电压将基本为VIN，但是由于固有串连电阻及其相关联的RC时间常数，电容112上的电压不必为完全的电压VIN。
当1在沿204变低时，在2在沿206变高之前，将存在“间歇(break before make)”。这将导致开关106和116断开一小段时间，以使电容112悬浮。随后，当2为高时，开关110和118将闭合。从而，这将有效地将电容112中的电荷转移到反馈电容126，这是常规操作。
反馈采样网络130按照与开关电容网络102类似的方式操作。根据“D”的逻辑状态，当1在上升沿202变高时，VREF+或VREF-被采样到节点136。此时，开关152将闭合。这将有效地采样电容C2上的电压。再次，由于RC时间常数，电压将接近完全的VREF+/VREF-。在下一阶段中，在2的沿206，开关134/140断开，并且开关152断开，而开关146闭合。然而，开关156不必闭合。这取决于A的值，因为2与A取与。在所例示的实施例中，当沿206变高时，A为低。因此，没有电荷从电容148转移。此外，在以1的上升沿210开始的下一采样阶段，A在沿212也升为高。由此，当1在沿214变为低，并且2在沿216变为高时，这将导致开关156闭合，并且将电荷转移到其上。这可以在所得波形2·A中看出，其中该开关被该脉冲和上升沿220控制。开关156将保持接通直到下降沿222，以将电容148上的电荷转移到节点120。开关154用于将节点150接地，只要在将电荷从输入采样电容112转移到节点120时电荷没有从反馈采样电容148转移到节点120。在一个实施例中，开关154可以被去除，但是应当确保，当2变高并且开关146闭合时，节点150没有“悬浮”。
参照图3，例示了将电荷采样到反馈采样电容148上的简化图。如上所述，当1为高时，开关152将闭合，开关156/146断开，并且开关132/138闭合。这将使得正或负的参考电压被采样到节点136以及反馈采样电容148上。然而，在到开关132/138的输入与连接到节点136的电容148的板极之间的线路上存在一定串连电阻。这样，将存在与其关联的RC时间常数，这使得充电不是瞬时的。因此，波形2在上升沿206或上升沿216中任一处的每个脉冲的开始处，电容148将开始对该串连电阻充电。然而，因为2的脉冲是具有有限脉冲宽度的有限脉冲，所以电容148可能由于串连电阻而不会完全充电至参考电压电平，但是它将接近该电平。当然，这取决于串连电阻的值、电容148的值以及脉冲的长度，而脉冲的长度取决于开关频率或者采样频率。因此，在2的下降沿，开关134/138将断开，并且将停止进一步充电，即使电容148没有被完全充电至参考电压。
参照图4，例示了电荷从电容148转移到节点120的操作的简化视图。在该操作中，由于上面针对RC时间常数和串连线路电阻所描述的限制，电容148上基本上存储有完全的参考电压。随后，当在波形2·A中出现上升沿220时，电荷包将从电容148通过开关150转移。在下降沿222处，该电荷将转移到反馈电容126。
注意，使电容148充电的时间长度是2的脉冲宽度的函数。由此，对于2为高的时间，电容148被完全充电。即使开关150没有闭合，电容148的充电也不长于该时间段。当增益为“1”时，定时信号2·A将等于2，并且每次从电容112充电时，电荷将从电容148转移。然而，如果电荷没有转移，并且如果电容148被保持在如下配置，即，对于整个时间，与节点136关联的电容148的板极被保持连接到参考电压，则这可能导致电容148上的电压不同于与电容112上的电压关联的电压，因为这会使得充电更长时间。然而，在本公开中，按照与将输入电压采样到输入采样电容112上相同的频率和相同的速率，周期性地在电容148上进行参考电压的采样。在图5中以由于固有RC时间常数而引起的充电时间的曲线图示出了这种情况的示例。可以看出，在时间t1处达到RC曲线504上的第一水平502。这是在2处于高电压电平的时间长度中，即，当门118闭合时，从采样电容112转移到节点120的电荷量。如果开关156闭合的时间长度与开关118的不同，则可能有更多的电荷从反馈采样电容148转移到节点120。因此，通过上面所例示的实施例，并且确保波形2·A的上升沿220与下降沿222之间的时间基本上等于在前沿216处开始的脉冲2的长度，这将确保它们相对较好地平衡。
虽然已详细描述了优选实施例，但是应当理解，此处，可以在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，进行各种变化、替换和变型。
权利要求
1.一种用于驱动Δ-∑转换器中的积分器的输入的方法，该积分器具有放大器，其具有非反向输入、输出和连接到参考电压的正输入；以及积分电容，连接在非反向输入与输出之间，所述方法包括以下步骤以第一速率将输入电压采样到输入采样电容上；在第二时间以第一速率将电荷从输入采样电容排放到放大器的非反向输入；以基本上第一速率将参考电压采样到反馈采样电容上；以不同于第一速率的第二速率将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入；并且将从反馈采样电容排放电荷的时间量控制为基本上等于从输入采样电容排放电荷的时间量，其中相对于第一速率变化第二速率改变了Δ-∑转换器的增益。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的以第一速率将输入电压采样到输入采样电容上以及将电荷从输入采样电容排放到放大器的非反向输入的步骤包括以第一速率生成具有第一周期脉冲流的第一时钟；生成具有第二周期脉冲流、并且在相位上与第一时钟偏移并且与其同步的第二时钟；在第一脉冲流为高的时间段中，将输入电压采样到反馈采样电容上；以及在第二脉冲流为高的时间段中，将电荷从输入采样电容排放到放大器的非反向输入。
3.根据权利要求2所述的方法，其中第一周期脉冲流和第二周期脉冲流没有交迭。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述的将输入电压采样到输入采样电容上的步骤包括在第一脉冲流为高的时间段中将输入采样电容的一个板极连接到输入电压并且将输入采样电容的另一板极接地的步骤；并且所述的将电荷从输入采样电容排放到放大器的非反向输入的步骤包括在第二脉冲流为高的时间段中将输入采样电容的所述一个板极接地并且将输入采样电容的所述另一板极连接到放大器的非反向输入的步骤。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述的将参考电压采样到反馈采样电容上并且将存储在反馈采样电容上的电压排放到放大器的非反向输入的步骤包括以下步骤在第一脉冲流为高的时间段中将参考电压采样到反馈采样电容上；以及在第二脉冲流为高的时间段中，按照与将参考电压采样到反馈采样电容上的步骤不同的速率，将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述的将参考电压采样到反馈采样电容上的步骤包括在第一脉冲流为高的时间段中将反馈采样电容的一个板极连接到参考电压并且将反馈采样电容的另一板极接地的步骤；并且所述的将电荷从反馈采样电容排放到放大器的非反向输入的步骤包括在第二脉冲流为高的时间段中、按照与将参考电压采样到反馈采样电容上的步骤不同的速率、将反馈采样电容的所述一个板极接地并且反馈采样电容的所述另一板极连接到放大器的非反向输入的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述的将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入的步骤发生在第二脉冲流中的所选多个脉冲为高的时间段中，并且第二脉冲流中的、发生了所述的将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入的步骤的、多个脉冲的数目少于第二脉冲流中的所有脉冲。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括生成如下控制信号的步骤，该控制信号选择第二脉冲流中的、将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入的所述多个脉冲。
9.一种用于驱动Δ-∑转换器中的积分器的输入的增益控制电路，该积分器具有放大器，其具有非反向输入、输出和连接到参考电压的正输入；以及积分电容，连接在非反向输入与输出之间，该增益控制电路包括输入采样电路，用于以第一速率将输入电压采样到输入采样电容上；第一排放电路，用于在第二时间以第一速率将电荷从所述输入采样电容排放到放大器的非反向输入；反馈采样电路，用于以基本上第一速率将参考电压采样到反馈采样电容上；第二排放电路，用于以不同于第一速率的第二速率将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入；以及增益控制器，用于将从所述反馈采样电容排放电荷的时间量控制为基本上等于从所述输入采样电容排放电荷的时间量，其中相对于第一速率变化第二速率改变了Δ-∑转换器的增益。
10.根据权利要求9所述的增益控制电路，其中第一采样电路和第一排放电路包括第一时钟，用于以第一速率生成第一周期脉冲流；第二时钟，用于生成在相位上与第一时钟偏移并且与其同步的第二周期脉冲流；第一开关电路，用于在第一脉冲流为高的时间段中，将输入电压采样到放大器的非反向输入；以及第二开关电路，用于在第二脉冲流为高的时间段中，将电荷从所述输入采样电容排放到放大器的非反向输入。
11.根据权利要求10所述的增益控制电路，其中所述第一周期脉冲流和第二周期脉冲流没有交迭。
12.根据权利要求10所述的增益控制电路，其中所述第一开关电路包括第一开关，用于将所述输入采样电容的一个板极连接到输入电压；以及第二开关，用于在第一脉冲流为高的时间段中将所述输入采样电容的另一板极接地，并且所述第二开关电路包括第三开关，用于将所述输入采样电容的所述一个板极接地；以及第四开关，用于在第二脉冲流为高的时间段中将所述输入采样电容的所述另一板极连接到放大器的非反向输入。
13.根据权利要求10所述的增益控制电路，其中第二采样电路和所述第二排放电路包括第三开关电路，用于在第一脉冲流为高的时间段中将所述参考电压采样到放大器的非反向输入；以及第二开关电路，用于在第二脉冲流为高的时间段中，按照与将参考电压采样到所述反馈采样电容的速率不同的速率，将电荷从所述反馈采样电容排放到放大器的非反向输入。
14.根据权利要求13所述的增益控制电路，其中所述第三开关电路包括第五开关，用于将所述反馈采样电容的一个板极连接到参考电压；以及第六开关，用于在第一脉冲流为高的时间段中将所述反馈采样电容的另一板极接地的步骤，并且所述第四开关电路包括第七开关，用于将所述反馈采样电容的所述一个板极接地；以及第八开关，用于在第二脉冲流为高的时间段中、按照与将参考电压采样到所述反馈采样电容的速率不同的速率、将所述反馈采样电容的所述另一板极连接到放大器的非反向输入。
15.根据权利要求14所述的增益控制电路，其中将存储在所述反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入发生在第二脉冲流中的所选多个脉冲的时间段中，并且第二脉冲流中的、发生了将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入的、多个脉冲的数目少于第二脉冲流中的所有脉冲。
16.根据权利要求15所述的增益控制电路，进一步包括控制信号，该控制信号选择第二脉冲流中的、将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入的所述多个脉冲。
全文摘要
用于Δ－∑模拟数字转换器的增益控制。公开了一种用于驱动Δ－∑转换器中的积分器的输入的方法，该积分器具有放大器，其具有非反向输入、输出和连接到参考电压的正输入；以及积分电容，连接在非反向输入与输出之间。以第一速率将输入电压采样到输入采样电容上，然后在第二时间以第一速率将电荷从输入采样电容排放到放大器的非反向输入。以基本上第一速率将参考电压采样到反馈采样电容上，并且以不同于第一速率的第二速率将存储在反馈采样电容上的电荷排放到放大器的非反向输入。将从反馈采样电容排放电荷的时间量控制为基本上等于从输入采样电容排放电荷的时间量，其中相对于第一速率变化第二速率改变了Δ－∑转换器的增益。
文档编号H03M3/02GK1998141SQ200580015500
公开日2007年7月11日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年3月31日
发明者道格拉斯·霍伯格, 卡·Y·里昂 申请人:芯科实验室有限公司