一种幅度交织模拟数字混合信号处理电路

摘要

本发明属于集成电路制造技术领域，具体为一种幅度交织模拟数字混合信号处理电路。该电路至少包含与通道数成正比的采样电容和前端开关阵列，折叠式多输入端运算放大器和基于高阻判断的模拟信号通路选择器。幅度交织技术通过无源器件的差值充放电原理，实现超越电源电压的信号储存，并且以数字的方式记录部分信号含有信息，从而达到简化运放设计指标，缓解先进工艺中低电源电压模拟电路的设计难题。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种拓宽信号源输入范围的模拟和模数混合信号的输入级电路。

背景技术

随着现代信息技术的不断发展，人们对高精度的模拟电路和模数混合电路的需求也越来越高。于此同时，由于工艺技术的发展，集成电路制造技术的技术节点不断向前推进，模拟电路和模数混合电路的供电电源电压也在不断降低。高精度模拟和模数混合电路的输入信号幅度主要由电源电压决定，而噪声幅度由热噪声决定，热噪声的表达式为：

其中k为波尔茨曼常数，T为热力学温度，C为采样电容值。所以其高精度模拟和模数混合电路的信噪比表达式为： 

其中α为电压的输入幅度与电源电压的比值，一般是常数。为了保证模拟和模数混合电路的信噪比和精度在低电压电路中不受影响，传统的解决方案是降低噪声功率谱密度，增大采样电容。每增加n倍的信号噪声比，就减小n倍的热噪声幅度，就需要增加n²倍的采样电容，在保证在相同的充放电速度的前提下，运算放大器的末级输出电流也必须相应的增加n²倍，即整个模拟和模数混合电路的功耗也增加了n²倍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种几乎不降低噪声幅度，但能够保持模拟和模数混合电路信号噪声比的幅度交织模拟数字混合信号处理电路。

本发明提供的幅度交织模拟数字混合信号处理电路，它至少包含一幅度交织采样电路，还包含基于电路高阻状态判断的模拟信号通路选择器，和折叠式多输入端运算放大器；所述幅度交织采样电路由一个幅度交织的电容序列和两个开关电容序列组成；其中：

所述幅度交织采样电路，用于对输入信号进行参考于不同共模电平的模拟信号采样；

所述多输入端运算放大器，连接于幅度交织采样电路，用于放大有效输入信号；

基于高阻判断的模拟信号通路选择器，链接于多输入运算放大器的输入支路和幅度交织采样电路中的开关序列。可用于判断运算放大器的直流工作电流。

对于含有N通道的幅度交织离散时间模拟电路，包括两个采样开关序列，2N个采样电容组成的幅度交织采样电路，以及含有N对，2N个输入端的多输入运算放大器和体现离散时间模拟电路与模数信号混合电路计算功能的反馈电路。为简化说明幅度交织技术，本发明提供一个两通道幅度交织离散时间模拟电路并对此进行说明，但本发明提出的幅度交织技术不限于两通道交织的范围。如图2所示，在离散时间幅度交织模拟电路中，第一开关序列201的输入级，连接于电路的差分信号的输入端，用于配置采样和积分时采样电容205上极板连接方式；2N个采样电容205连接于第一开关序列201，用于对输入信号进行幅度交织的模拟信号采样；第二开关序列202，连接于采样电容205，用于配置采样和积分时采样电容205下极板和运算放大器的输入端的连接方式；多输入端运算放大器203，连接于第二开关序列202，用于放大有效输入信号；反馈电路204，连接于多输入端运算放大器203和第二开关序列202，用于反馈电路的电学特性，完成计算的功能。 

本发明中，所述模数混合信号处理电路的输入范围大于后端（多输入端）运算放大器的工作范围。

本发明中，所述运算放大器，以折叠交叉的方式产生对称的输入输出曲线。

本发明中，所述幅度交织采样电容以差分关系输出。

本发明中，所述幅度交织采样电路，通过对参考于不同电平进行采样，达到N通道幅度交织采样。N为不小于2的整数。

本发明通过提出的幅度交织技术，扩大了模拟电路和模数混合信号电路的输入范围，在不以降低热噪声幅度和增加以此带来的功耗的前提下，保证了模拟电路和模数信号混合电路动态范围和信号噪声比，并以此保证精度。

附图说明

图1为传统的离散时间模拟信号处理电路。

图2为本发明提出的采用幅度交织技术的离散时间模拟信号处理电路。

图3为幅度交织技术输入采样电容阵列的配置情况。

图4为幅度交织技术中采用的多输入端运算放大器。

图5为幅度交织技术中采用的基于高阻判断的模拟信号通路选择器。

图6为当输入信号差大于运算放大器601的输入信号范围时的电路工作模式。

图7为当输入信号差小于运算放大器601的输入信号范围时的电路工作模式。

图8为N通道离散时间幅度交织模拟信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的进行详细说明。

对于模拟信号处理电路,如图1所示，采用摆幅小于或者等于轨到轨的运算放大器，其处理信号的范围随工艺节点和电源电压变化而导致的动态范围的降低，或者在保证动态范围的情况下，功耗剧烈地增加，本发明提过了一种幅度交织技术来克服此问题。

对于含有N通道的幅度交织离散时间模拟电路，包括两个采样开关序列，2N个采样电容组成的幅度交织采样电路，以及含有N对，2N个输入端的多输入运算放大器和体现离散时间模拟电路与模数信号混合电路计算功能的反馈电路。为简化说明幅度交织技术，本发明提供一个两通道幅度交织离散时间模拟电路并对此进行说明，但本发明提出的幅度交织技术不限于两通道交织的范围。如图2所示，在离散时间幅度交织模拟电路中，第一开关序列201的输入级，连接于电路的差分信号的输入端，用于配置采样和积分时采样电容205上极板连接方式；2N个采样电容205连接于第一开关序列201，用于对输入信号进行幅度交织的模拟信号采样；第二开关序列202，连接于采样电容205，用于配置采样和积分时采样电容205下极板和运算放大器的输入端的连接方式；多输入端运算放大器203，连接于第二开关序列202，用于放大有效输入信号；反馈电路204，连接于多输入端运算放大器203和第二开关序列202，用于反馈电路的电学特性，完成计算的功能。 

本发明提供的幅度交织模数转换器首先使用幅度交织采样电容阵列，对信号幅度超过电源电压的输入信号进行采样。对于输入范围较大的信号输入，幅度交织采样电路通过采取参考于不同电平的输入信号，将输入信号范围有效地降到后级运算放大器的输入范围以内。为了简化说明其工作原理，本发明提供对于两通道情况的说明，如图4所示，但该幅度交织采样电容不仅限于两通道，可以拓展到任意N个通道，N为不小于2的整数。假设两通道的两个基准共模电平是V_cm1和V_cm2，运算放大器的输入范围都是V_full，输入输出共模电压为V_cm，这些参数在平衡状态下满足：

V_cm1 +V_cm2=V_full=2V_cm

那么对于两通道幅度交织采样链路，其最大差分输入范围为+/-2V_full，令差分信号分别参考于不同共模电平，并将，分别在每个电容相对电压值存储不同的电压分量，输入稳定后四个电容上的电压分量分别为V_inp-V_cm1, V_inp-V_cm2, V_inn-V_cm1, V_inn-V_cm2，其中电容对C1和C4（302）上存储的电压互为差分关系，电容对C2和C3（301）上存储的电压互为差分关系，并且当|V_inp-V_inn|<V_full时，电容对301工作在后级运算放大器的输入范围内，当|V_inp-V_inn|>V_full，电容对302工作在后级运算放大器的输入范围内。

本发明采用折叠式多输入级运算放大器，对于N通道幅度交织离散时间模拟电路，其含有N套差分输入，即2N个输入端。为了简化说明，本发明提供了符合两通道应用情况的四输入端的折叠式运算放大器，如图4所示，实际使用中可以基于本发明的思想，将N拓展到任意不小于2的整数。如图4所示，两通道折叠式多输入级运算放大器有两个差分输入支路403、404，差分信号可以通过折叠式运算放大器耦合到主放大通路402、401中，完成放大运算。其中，401为运算放大器放大管，402为运算放大器偏置，403为运算放大器输入级1，404为运算放大器输入级2 。

在本发明的幅度交织离散时间模拟电路中，始终会有1对或者多对的输入信号超过运算放大器的采样方位，实际操作中可以采用判断输入支路是否为电路高阻状态来判断的模拟信号是否处于合适的工作范围，即基于高阻判断的模拟信号通路选择器其判断原理图如图5所示。其中501为放大晶体管的漏端输出，动态逻辑门502与预充电管504组成了一个可以实现信号通路判断功能的比较电路。其由动态数字逻辑电路实现，工作原理是在放大管的输出上链接一个动态逻辑门502，在每个判断周期的低电平阶段通过开启预充电管504对比较输出节点进行预充电至高电平，在每个判断周期的高电平阶段动态逻辑门502根据放大管的漏端输出得到一个比较结果；如果放大管导通，那么它的尾电流源的输出电流会将节点上的电容释放为低电平，此时根据动态逻辑组合的输出结果，异步地选择反馈回路，同时通过缓冲器503将输入信号的余量能量以数字高低电平的形式存储在电路上，为离散时间信号处理的后级再次使用该值提供便利。

对于N通道离散时间幅度交织模拟信号处理电路在实际工作中的积分阶段，有N种工作模式，该工作模式的选择有模拟信号通路选择器的输出信号决定。本发明为简化说明，提供了两通道的两种工作模式示意图，如图6和7所示。

图6是当输入信号差大于运算放大器601的输入信号范围时的电路工作模式，反馈电路604由开关阵列连接于采样电容对602上，完成信号处理，并将信号处理的结果输出在多输入运算放大器601的输出级，而存储电压超过运算放大器工作范围的采样电容对603通过开关605连通进行放电重置功能。

图7是当输入信号差小于运算放大器701的输入信号范围时的电路工作模式，反馈电路704由开关阵列连接于采样电容对703上，完成信号处理，并将信号处理的结果输出在多输入运算放大器701的输出级，而存储电压超过运算放大器工作范围的采样电容对702通过开关705连通进行放电重置功能。

需要特别指出的是，本发明仅以采样幅度交织技术的双通道模数转换器作为具体实施例进行解释说明。但本发明的多通道模数转换器可以扩展到N通 道，如图8所示的多通道幅度交织模数转换器。  

本发明可以克服先进工艺对传统模拟电路和模数混合信号动态范围的限制，且复杂度相对较低，引入功耗几乎为零，因此具有广泛的便利性。

显然，本领域的技术人员可以根据本发明将双通道的幅度交织模数转换器校准原理拓展到更多通道，以及进行其他各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。