模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入級的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，特別是用于這種轉(zhuǎn)換器的輸入級。
【背景技術(shù)】
[0002] A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）中，輸入級通常是轉(zhuǎn)換器中與噪聲和線性相關(guān)的最關(guān)鍵 的部分。為了提高線性度，通常使用輸入晶體管對的退化，但這同時增加了噪聲。另一種解 決方案是使用輸入級，該輸入級具有到放大器的輸入的反饋（如反相放大器），但需要輸入 電阻，因此A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗將是限定的，但這是不希望出現(xiàn)的，特別是當A/D轉(zhuǎn)換器 需要與傳感器接口時是不希望出現(xiàn)的。而且，這種反饋增加了功率消耗。
[0003] 另外，在傳感器應用中，通常需要信號處理路徑在不同的通道之間提供足夠的增 益匹配。例如，磁敏角度傳感器的輸出信號分別與待測角度的正弦和余弦成比例，可以通過 應用反正切函數(shù)以給角度一個磁場來處理這個比率。獨立的信號處理路徑中的失配引起的 正弦和余弦信號的振幅差異將引起角誤差。因此，信號處理路徑之間的增益匹配對于實現(xiàn) 良好性能是必要的。
[0004] 圖1示出了EA模數(shù)轉(zhuǎn)換器100的原理圖，他通過過采樣噪聲整形實現(xiàn)高分辨 率。更具體地，轉(zhuǎn)換器100包括加法器104,濾波器106,數(shù)字轉(zhuǎn)換器108和反饋數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)114。在操作中，模擬輸入信號102被作為一個輸入提供給加法器104。加法器104的 輸出被提供給濾波器106,濾波器106調(diào)整由其后的高速運轉(zhuǎn)的量化器108引入的量化噪 聲，量化器108提供數(shù)字輸出信號110。數(shù)字輸出信號110也被作為數(shù)字反饋信號112提供 到反饋D/A轉(zhuǎn)換器114,反饋D/A轉(zhuǎn)換器114發(fā)送產(chǎn)生的模擬反饋信號116作為加法器104 的第二輸入，從而使濾波器106將任何誤差（即模擬輸入信號102與模擬反饋信號116之 間的差異）考慮在內(nèi)。濾波器106可能是積分器級。轉(zhuǎn)換器110的輸出通過DA轉(zhuǎn)換器114 轉(zhuǎn)換成到模擬域。DA轉(zhuǎn)換器114的輸出與輸入信號102比較并且將誤差反饋到環(huán)中。轉(zhuǎn)換 器100的關(guān)鍵部分是輸入級，它決定了模擬輸入信號的數(shù)字表示的誤差。由輸入級造成的 誤差本身因此直接轉(zhuǎn)化為輸入信號的數(shù)字表示中的誤差，這是不希望的。注意的是SAR(逐 漸近似）AD轉(zhuǎn)換器具有類似的問題。已知技術(shù)的實施例使用獨立轉(zhuǎn)換輸入信號和DA轉(zhuǎn)換 器信號的跨導（gm)級。
[0005] 圖2示出了已知的用于差分A/D轉(zhuǎn)換器的輸入級200。輸入級200包括第一跨導 元件206,第二跨到元件210,積分電容器208和能提供+Vref與-Vref之間的輸出信號值 的梯形電阻216 (形成反饋D/A轉(zhuǎn)換器）。差分模擬輸入信號被提供給第一跨導元件206的 輸入202和204,第一跨導元件206產(chǎn)生第一電流，第一電流與兩個輸入信號之間的差異相 應。類似地，第二跨導元件210在它的輸入212和214處接收來自D/A轉(zhuǎn)換器216的模擬 反饋信號并且產(chǎn)生第二電流（與第一電流相反），第二電流與兩個模擬反饋信號之間的差 異相應。所產(chǎn)生的電流，即，第一電流和第二電流，被在電容器208上積分求和并且提供所 產(chǎn)生的電容器208兩端的電壓Vout用于另外的濾波（例如更高階的環(huán)路濾波器）或者在 轉(zhuǎn)換器，例如圖1所示的數(shù)字轉(zhuǎn)換器108的量化級中進一步處理。換句話說，第一和第二跨 導元件206和210的輸出電流在電流域中被減少，并且在電容器208上積分。再一次參考 圖1，電容器208可能形成整個濾波器108或濾波器108的第一部分。這種實施的缺點是兩 個跨導元件都必須轉(zhuǎn)換全擺幅信號（輸入信號或DA轉(zhuǎn)換器輸出信號），這需要更高的線性 級以避免失真。通常由跨導級的退化獲得線性度，但很明顯這會增加噪聲（由于添加的電 阻），因此，需要增加功率已達到所需的噪聲水平。
[0006] 因此可能需要一種用于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入級，能夠在較低的功率消耗水平提供高 線性度和低噪聲，并且能夠以簡單和可靠的方法提供多個通道之間的增益匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 這種要求可能由根據(jù)獨立權(quán)利要求的主題來滿足。優(yōu)選的實施例在從屬權(quán)利要求 中提出。
[0008] 根據(jù)第一方面，提供了一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入級，輸入級包括（a)跨導元件， 適于在跨導元件的第一輸入接收模擬輸入信號，所述模擬輸入信號將被模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號，（b)反饋路徑，用于提供模擬反饋信號到跨導元件的第二輸入，模擬反饋信號基 于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出信號，和（c)積分器，用于對跨導元件的輸出電流進行積分，其中 積分元件適于產(chǎn)生表不經(jīng)積分的輸出電流的積分器輸出信號。
[0009] 這個方面是基于以下思想：將模擬輸入信號和模擬反饋信號提供給相同跨導元件 的各自的輸入，跨導元件的輸入信號的擺幅（即輸入到跨導元件的信號之間的差異）被大 大減小。因此，對于跨導元件的線性要求也相應地減少，噪聲的增加以及消耗功率的另外的 電阻器不是必須的。
[0010] 在本文中，術(shù)語"跨導元件"可能特別表示產(chǎn)生輸出電流的電路元件，該輸出電流 直接取決于跨導元件的第一和第二輸入兩端的電壓差，即i=gmXv，其中g(shù)m是對于元件特 定的常數(shù)因子（跨導）。
[0011] 因此，跨導元件的輸出電流代表輸入到跨導元件的信號之間的差。換句話說，經(jīng)積 分的輸出電流表示到AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號和反饋路徑提供的模擬反饋信號之間的差 的積分。因此，代表經(jīng)積分的輸出電流的積分器輸出信號，可以衡量AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差。
[0012] 假設(shè)AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差相對小，可以知道輸入到跨導元件的信號之間的差異 是相應的小。因此，根據(jù)這一方面的輸入級即使沒有高線性跨導元件也能夠很好運作。
[0013] 根據(jù)一個實施例，輸入級還包括（a)另外的跨導元件，適于在另外的跨導元件的 第一輸入接收另外的模擬輸入信號，和（b)另外的反饋路徑，用于提供另外的模擬反饋信 號給另外的跨導元件的第二輸入，該另外的模擬反饋信號是基于A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出信 號，其中（c)積分器適于對跨導元件的輸出電流和另外的跨導元件的輸出電流積分求和， 和其中積分器輸出信號代表輸出電流的積分之和。
[0014] 在這個實施例中，輸入級包括另外的跨導元件，另外的跨導元件以與以上描述的 跨導元件類似的方式工作以產(chǎn)生電流，該電流基于另外的模擬輸入信號和另外的模擬反饋 信號之間的差。另外的跨導元件產(chǎn)生的電流與跨導元件產(chǎn)生的電流通過積分器在一起求積 分。因此，積分器輸出信號代表輸出電流的積分之和。
[0015] 另外的跨導元件的跨導（gm)可能等于或不同于跨導元件的跨導。
[0016] 根據(jù)另一個實施例，模擬輸入信號和另外的模擬輸入信號是用于差分A/D轉(zhuǎn)換器 的模擬輸入信號。
[0017] 在本文中，術(shù)語"差分A/D轉(zhuǎn)換器"是能夠產(chǎn)生兩個模擬輸入信號之差的數(shù)字表示 的A/D轉(zhuǎn)換器。
[0018] 注意另外的模擬輸入信號和另外的模擬反饋信號具有相同的極性，即它們同相。 類似地，模擬輸出信號與模擬反饋信號具有相同的極性（即相位）。然而，模擬輸入信號與 另外的模擬輸入信號的極性相反。
[0019] 根據(jù)另一個實施例，跨導元件的第一輸入和另外的跨導元件的第一輸入具有相反 的極性。
[0020] 因此，跨導元件的第二輸入也與另外的跨導元件的第二輸入具有相反的極性。
[0021] 因此，對于模擬輸入信號的正的轉(zhuǎn)換誤差將正的值添加到輸出電流的積分之和 上，對于另外的模擬輸入信號的正的轉(zhuǎn)化誤差將負的貢獻添加到輸出電流的積分之和上。
[0022] 根據(jù)另一個實施例，輸入級還包括布置在跨導元件的輸出和積分器之間的斬波 器，斬波器可以反轉(zhuǎn)跨導元件的輸出的極性。
[0023] 在本文中，術(shù)語"斬波器"可能特別表示開關(guān)元件，該開關(guān)元件可以用第一輸出端 和第二輸出端以兩種方式連接第一輸入端和第二輸入端，這取決于提供給斬波器的控制信 號：對于控制信號的一個值，斬波器用第一輸出端連接第一輸入端和用第二輸出端連接第 二輸入端，和對于控制信號的第二值，斬波器用第二輸出端連接第一輸入端和用第一輸出 端連接第二輸入端。
[0024] 通過操作斬波器反轉(zhuǎn)跨導元件的輸出電流的極性，輸入級可能從操作的差模變?yōu)?操作的共模。
[0025] 或者，斬波器可能布置在另外的跨導元件和積分器之間。
[0026] 根據(jù)另一個實施例，積分器包括電容器，積分器輸出信號是電容器兩端的電壓。
[0027] 應該注意的是，雖然上述方面和實施例是關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換器的描述，但是所描述的 輸入級也可以用于其它包括反饋路徑的電路結(jié)構(gòu)，例如反饋放大器。另外，積分電容器的功 能，即提供環(huán)路增益，可能由電阻器實現(xiàn)。
[0028] 根據(jù)第二方面，提供一種A/D轉(zhuǎn)換器，包括（a)根據(jù)第一方面或上述任一實施例的 輸入級，（b)量化級，適于接收積分器輸出信號和產(chǎn)生數(shù)字輸出信號，和（c)反饋D/A轉(zhuǎn)換 器，適于通過將數(shù)字輸出信號轉(zhuǎn)換為模擬信號來產(chǎn)生模擬反饋信號和將模擬反饋信號提供 給反饋路徑。
[0029] 這一方面是基于和上述第一方面基本相同的思想。特別地，根據(jù)第二方面的A/D轉(zhuǎn)換器是便宜的和易于制造的，并且可以在低噪聲和低功率損耗下提供高精度的模擬到數(shù) 字的轉(zhuǎn)換。另外，當以多通道實現(xiàn)時，如差分A/D轉(zhuǎn)換器，可以以簡單和節(jié)約成本的方式提 供通道之間的增益匹配。
[0030] 在本文中，術(shù)語"量化"可以特別指以下過程：選擇多個離散（量化的）值作為代 表值用于給定的模擬信號水平。
[0031] 在本文中，術(shù)語"反饋D/A轉(zhuǎn)換器"可以特別指布置為轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出 信號返回模擬信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，例如，在本領(lǐng)域中已知的EA模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0032] 根據(jù)一個實施例，A/D轉(zhuǎn)換器還包括插入在輸入級和量化級之間的濾波級。
[0033] 優(yōu)選地，濾波級可能適于執(zhí)行另外的濾波，例如噪聲整形，到由積分器執(zhí)行的濾 波。
[0034] 根據(jù)另一個實施例，反饋D/A轉(zhuǎn)換器包括梯形電阻結(jié)構(gòu)。
[0035] 優(yōu)選地，梯形電阻結(jié)構(gòu)被配置為在正的參考電壓（+Vref)和負的參考電壓 (-Vref)之間提供多個等量間距的離散的電壓值。
[0036] 根據(jù)另一個實施例，斬波器可以通過反轉(zhuǎn)跨導元件的輸出的極性以在操作的差模 和操作的共模之間切換。
[0037] 在差模A/D轉(zhuǎn)換器的情況下，這可能例如用于在啟動時校準，在啟動時，斬波器可 以切換系統(tǒng)到操作的共模，以及測量輸入信號和相應的