一种应用于高精度模数转换器的热噪声自整形方法及系统

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种应用于高精度模数转换器的热噪声自整形方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、噪声整形sar adc是一种结合sar adc与△-∑adc优势的混合架构，其将△-∑adc中的噪声整形技术应用到sar adc中，从而既可保持sar adc高度数字化的电路结构，又可实现对带内量化噪声和比较器噪声等非理想因素整形，从而实现高精度。

3、与此同时在现有的噪声整形方案中，滤波器以无源方式或有源方式实现，无源实现方式通常采用电荷共享的方式，其开关电容的电路行为会引入kt/c热噪声；有源实现方式通常会用到运算放大器，运算放大器引入的噪声源就更加多元，如晶体管热噪声、电阻热噪声等等；在保证了量化噪声和比较器噪声的整形的同时，均会引入较多的热噪声，该噪声会限制整体电路的snr，通常为解决kt/c热噪声的问题，将其对snr的影响限制在预期之内，就需要提高滤波器的相关电容，这样一方面占据更大的芯片面积，另一方面需要消耗更多功耗，违背了噪声整形sar adc其高能效的特点。

4、高精度电路设计时通常要对于电路模块的噪声进行合理分配与设计，对于量化噪声和比较器噪声之外的噪声，能够实现整形是非常高效的方式，能实现在一定设计需求的条件下，可以放宽对滤波器的要求，降低开销；也能在当下受限于热噪声的设计中进一步实现更好噪声特性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种应用于高精度模数转换器的热噪声自整形方法及系统，解决了量化噪声和比较器噪声之外的噪声整形问题，相比于传统的噪声整形方案，本发明只需合理设计由极点构成的噪声整形ntf(noise transfer function，噪声传递函数)模块，即可实现量化噪声和滤波器自身引入噪声的噪声整形，提高整形效率。

2、实现本发明目的的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供了一种应用于高精度模数转换器的热噪声自整形方法，包括：

4、判断模数转换器的噪声整形的形式，并根据所述噪声整形的形式选择对应的热噪声自整形结构；其中，若噪声整形为单一环路，则选择前馈式结构或反馈式结构作为热噪声自整形结构，若所述噪声整形为级联结构，则选择前馈式结构和/或反馈式结构作为热噪声自整形结构；

5、根据选择的所述热噪声自整形结构构造对应的环路滤波器；在所述单一环路或所述级联结构中，前馈式结构中构造环路滤波器为fir滤波器，反馈式结构中构造环路滤波器为iir滤波器；

6、在所述环路滤波器中构建由极点组成的传递函数作为噪声整形ntf滤波模块，利用所述噪声整形ntf滤波模块实现模数转换器的热噪声自整形；其中，所述噪声整形ntf滤波模块是根据所述极点的个数和所述极点的位置匹配所述噪声整形ntf模块的整形效果。

7、基于一方面，在本发明的一个实施例中，所述前馈式结构，包括：

8、对从模数转换器输送的vin信号和量化噪声q(z)信号与噪声整形信号求和得到dout(z)信号；

9、将所述vin信号与所述dout(z)信号作差得到第二信号；

10、将所述第二信号输入所述fir滤波器得到噪声整形信号。

11、基于一方面，在本发明的一个实施例中，所述前馈式结构中构造环路滤波器为fir滤波器，包括：

12、将所述前馈式结构的所述第二信号作为所述fir滤波器的输入，将所述fir滤波器的输入端引入vn信号，即fir滤波器引入的热噪声等效至输入端，所述fir滤波器输出所述噪声整形信号；

13、对所述噪声整形信号、从模数转换器输送的所述vin信号和所述量化噪声q(z)信号求和得到dout(z)信号；

14、将系数为a的传递函数h在处理所述vin信号时把时域信号变换到z域信号，所述fir滤波器输出端获得噪声整形信号；

15、其中，所述前馈式结构包括fir滤波器对应的运算为：

16、(vin-dout+vn)×h(z)+vin+q(z)＝dout(z)

17、

18、其中，vin为从模数转换器的输入信号vin信号，vn为滤波器自身引入热噪声的vn信号，h(z)/(1+h(z))为热噪声vn信号的ntf，q(z)为量化噪声q(z)信号，dout(z)为vin信号、噪声整形信号及量化噪声q(z)信号求和得到的dout(z)信号。

19、基于一方面，在本发明的一个实施例中，在所述环路滤波器中构建由极点组成的噪声整形ntf模块，包括：

20、在所述环路滤波器中构建延时单元，所述延时单元的电路实现方式选择有源方式或无源方式；

21、所述滤波器的传递函数的表达式为：

22、h(z)＝anz-n+…+a2z-2+a1z-1

23、式中，a为传递函数的系数，传递函数为h，z为处理噪声信号时把时域变换到z域，-1、-2……-n表示延迟；

24、匹配滤波器构建由极点组成的噪声整形ntf模块。

25、基于一方面，在本发明的一个实施例中，所述反馈式结构，包括：

26、将从模数转换器输送的vin信号与噪声整形信号求和得到第一信号；

27、对所述第一信号与量化噪声q(z)信号求和得到dout(z)信号；

28、将所述dout(z)信号输入至所述反馈式结构。

29、基于一方面，在本发明的一个实施例中，在所述反馈式结构中构造iir滤波器作为所述单一环路或所述级联结构的环路滤波器，包括：

30、对所述反馈式结构的所述dout(z)信号和所述第一信号作差得到所述iir滤波器的vin,h信号；

31、将所述vin,h信号输入所述iir滤波器，所述iir滤波器输出vout,h信号；

32、将所述vin信号与所述vout,h信号输入所述环路滤波器中的所述噪声整形ntf模块求和得到所述第一信号；

33、其中，所述iir滤波器引入热噪声vn信号，即iir滤波器引入的热噪声等效至输入端，所述热噪声vn信号输入至iir滤波器h(z)；所述反馈式结构包括iir滤波器对应的运算如下：

34、vin+vn×h(z)+(-q(z))×h(z)+q(z)＝dout(z)

35、dout(z)＝vin+h(z)·vn+(1-h(z))·q(z)；

36、其中，vin为从模数转换器输送的vin信号，vn为引入热噪声vn信号，h(z)为热噪声vn信号的ntf，q(z)为量化噪声q(z)信号，dout(z)为求和得到的dout(z)信号。

37、基于一方面，在本发明的一个实施例中，在所述环路滤波器中构建由极点组成的噪声整形ntf模块，包括：

38、在所述环路滤波器中构建积分器，所述积分器电路实现方式分为选择有源方式或无源方式；

39、所述环路滤波器的表达式为：

40、

41、式中，a为传递函数的系数，传递函数为h，z为处理噪声信号时把时域变换到z域，-1、-2……-n表示延迟；

42、匹配积分器构建由极点组成的噪声整形ntf模块。

43、另一方面，本发明提供了一种应用于高精度模数转换器的热噪声自整形系统，包括：

44、判断模块，所述判断模块判断模数转换器的噪声整形为单一环路或级联结构，若为单一环路选择热噪声自整形结构为前馈式结构或反馈式结构，若为级联结构选择热噪声自整形结构为前馈式结构和/或反馈式结构；

45、构造滤波器模块，所述构造滤波器模块在所述前馈式结构中构造fir滤波器作为环路滤波器，在所述反馈式结构中构造iir滤波器作为环路滤波器；

46、噪声整形模块，所述噪声整形模块构建由极点组成的噪声整形ntf模块，所述极点的个数以及位置匹配噪声整形ntf模块的整形效果。

47、基于另一方面，在本发明的一个实施例中，所述前馈式结构，包括：从模数转换器输入的vin信号、量化噪声q(z)信号和噪声整形信号求和得到dout(z)信号；vin信号与dout(z)信号作差得到第二信号；第二信号输入所述fir滤波器得到噪声整形信号；

48、在所述前馈式结构中构造fir滤波器作为环路滤波器，包括：第二信号作为fir滤波器的输入，fir滤波器的输入端引入vn信号，vn信号为滤波器自身引入的热噪声等效至输入端，fir滤波器输出噪声整形信号；噪声整形信号、vin信号和q(z)信号求和得到dout(z)信号；系数为a的传递函数h在处理信号时把时域信号变换到z域信号，fir滤波器获得噪声整形信号；

49、其中，所述前馈式结构包括fir滤波器对应的运算为：

50、(vin-dout+vn)×h(z)+vin+q(z)＝dout(z)

51、

52、vin为从模数转换器输送的vin信号，vn为引入热噪声vn信号，h(z)/(1+h(z))为热噪声vn信号的ntf，q(z)为量化噪声q(z)信号，dout(z)为vin信号、噪声整形信号及量化噪声q(z)信号求和得到的dout(z)信号；

53、构建由极点组成的噪声整形ntf模块，包括：构建延时单元，所述延时单元的电路实现方式选择有源方式或无源方式；滤波器的传递函数的表达式为：

54、h(z)＝anz-n+…+a2z-2+a1z-1

55、式中，a为传递函数的系数，z为处理噪声信号时把时域变换到z域，-1、-2……-n表示延迟。

56、基于另一方面，在本发明的一个实施例中，所述反馈式结构，包括：

57、从模数转换器输送的vin信号与噪声整形信号求和得到第一信号；第一信号与q(z)信号求和得到dout(z)信号；dout(z)信号输入所述反馈式结构；

58、在所述反馈式结构中构造iir滤波器作为环路滤波器，包括：dout(z)信号与第一信号求和得到vin,h信号；vin,h信号输入iir滤波器，iir滤波器输出vout,h信号；vin信号与vout,h信号求和得到第一信号；其中，iir滤波器引入热噪声vn信号，热噪声vn信号的噪声整形ntf模块为h(z)；所述反馈式结构包括iir滤波器对应的运算包括：

59、vin+vn×h(z)+(-q(z))×h(z)+q(z)＝dout(z)

60、dout(z)＝vin+h(z)·vn+(1-h(z))·q(z)；

61、vin为从模数转换器输送的vin信号，vn为引入热噪声vn信号，h(z)为热噪声vn信号的ntf，q(z)为与第一信号求和的q(z)信号，dout(z)为求和得到的dout(z)信号；

62、构建由极点组成的噪声整形ntf模块，包括：构建积分器，积分器电路实现选择有源方式或无源方式；积分器的传递函数表达式为：

63、

64、式中，h为传递函数，a为传递函数的系数，z为处理噪声信号时把时域变换到z域，-1、-2……-n表示延迟。

65、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

66、本发明解决了量化噪声和比较器噪声之外的噪声整形问题，相比于传统的噪声整形方案，只需合理设计由极点构成的噪声整形ntf模块，即可实现量化噪声和滤波器自身引入噪声的噪声整形，提高整形效率。