一种基于压控振荡器的模数转换器及提高其线性度的方法
阅读说明：本技术 一种基于压控振荡器的模数转换器及提高其线性度的方法 (Analog-to-digital converter based on voltage-controlled oscillator and method for improving linearity of analog-to-digital converter ) 是由 幸新鹏 栾高峰 尚雪倩 赵雪亭 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于压控振荡器的模数转换器,包括放大器模块,用于改变输入模拟信号电压输出电流信号,电流复制模块,连接所述放大器模块,用于接收所述电流信号,并输出与所述电流信号相等的VCO偏置电流,基于电流控制的模数转换器模块,连接所述电流复制模块,用于接收VCO偏置电流并输出对应的数字信号,放大器模块包括输入控制电路,负反馈放大器电路；所述输入控制电路,用于控制输入模拟信号电压的输入控制电路；所述负反馈放大器电路的反相输入端连接所述输入控制电路,根据输入控制电路输出的信号输出电流信号,且负反馈放大器电路的正相输入端接地。采用闭环负反馈放大器电路来控制环形压控振荡器的振荡频率具有很高的线性度。(The invention discloses an analog-digital converter based on a voltage-controlled oscillator, which comprises an amplifier module, a current copying module, a current control module and a negative feedback amplifier circuit, wherein the amplifier module is used for changing the voltage of an input analog signal and outputting a current signal; the input control circuit is used for controlling the input control circuit for inputting the analog signal voltage; the negative feedback amplifier circuit has its inverting input connected to the input control circuit and outputs current signal based on the output signal of the input control circuit, and its positive input is grounded. The closed-loop negative feedback amplifier circuit is adopted to control the oscillation frequency of the annular voltage-controlled oscillator to have high linearity.)
技术领域
本发明涉及混合信号电路技术领域，具体为一种基于压控振荡器的模数转换器及提高其线性度的方法。
背景技术
在数模混合信号领域中，压控振荡器(VCO)的应用场景十分普遍，尤其是在模数转换器(ADC)的设计领域。而模数转换器则是将采集到的模拟信号转换为数字信号，并将转换后的数字信号通过数字信号处理器做进一步的处理。不同类型的模数转换器，其应用也不相同，例如delta-sigma ADC(过采样模数转换器，或噪声整形模数转换器)，过采样模数转换器主要应用于音频等中低速、高精度领域；pipeline ADC(流水线模数转换器，或管线式类比数位转换器)，流水线模数转换器主要用于雷达通信等高速、中高精度领域。由于上述的模数转换器的设计存在着速度与精度的折中，会降低输入控制电压和输出端电流的线性度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压控振荡器的模数转换器，以便使输入控制电压和输出端电流具有较高的线性度。
本发明提供了一种基于压控振荡器的模数转换器，包括：
放大器模块，用于改变输入模拟信号电压输出电流信号；
电流复制模块，连接所述放大器模块，用于接收所述电流信号，并输出与所述电流信号相等的VCO偏置电流；
基于电流控制的模数转换器模块，连接所述电流复制模块，用于接收VCO偏置电流并输出对应的数字信号；
其中，所述放大器模块包括输入控制电路，负反馈放大器电路；
所述输入控制电路，用于控制输入模拟信号电压的输入控制电路；
所述负反馈放大器电路的反相输入端连接所述输入控制电路，根据输入控制电路输出的信号输出电流信号，且负反馈放大器电路的正相输入端接地。
可选地，所述输入控制电路为开关电容型输入控制电路时，开关电容型输入控制电路接收输入模拟信号电压并输出至负反馈放大器电路的反相输入端。
可选地，所述输入控制电路为栅压自举开关型输入控制电路时，栅压自举开关型输入控制电路接收输入模拟信号电压并输出至负反馈放大器电路的反相输入端。
可选地，所述输入控制电路为电阻型输入控制电路时，电阻型输入控制电路接收输入模拟信号电压并输出至负反馈放大器电路的反相输入端。
可选地，所述负反馈放大器电路的输出端通过反馈电阻与反相输入端连接。
可选地，所述负反馈放大器电路的输出端与反相输入端直接连接。
可选地，所述电流复制模块包括与负反馈放大器电路的输出级相等的两MOS管组成的共集电流复制电路和二极管形式连接的MOS管电流镜电路。
本发明还包括一种提高基于压控振荡器的模数转换器线性度的方法，包括以下步骤：
S1、通过放大器模块控制输入模拟信号电压，经过闭环负反馈连续时间放大输出电流信号；
S2、电流复制模块将所述电流信号复制输出与所述电流信号相等的VCO偏置电流；
S3、基于电流控制的模数转换器模块根据接收到的所述VCO偏置电流转换为对应的数字信号。
可选地，所述步骤S1包括以下步骤：
S1-1、放大器模块中的开关电容型输入控制电路或栅压自举开关型输入控制电路或电阻型输入控制电路控制输入模拟信号电压；
S1-2、放大器模块中的负反馈放大器电路的反相输入端根据输入控制电路输出的信号连续时间放大输出电流信号。
可选地，所述步骤S2包括以下步骤：
S2-1、电流复制模块中的两MOS管组成的共集电流复制电路将所述电流信号复制输出相等的电流信号；
S2-2、电流复制模块中的二极管形式连接的MOS管电流镜电路将所述电流信号通过电流镜的方式输出VCO偏置电流。
本发明采用的基于压控振荡器的模数转换器，通过使用负反馈放大器电路，即闭环形式的放大器电路，由电流复制模块复制闭环形式的放大器电路输出的电流来控制环形压控振荡器的偏置电流从而对其进行调谐，可以有效提高基于压控振荡器模数转换器的线性度。且，由于输入控制电路和负反馈放大器电路的协同工作，使得闭环放大器在连续时间内输出的电流具有较高的线性度，因而使得输入控制电压和输出端电流具有较高的线性度。又因为环形振荡器的偏置电流理论上与环形压控振荡器的频率呈线性关系，因此可以得到采用闭环负反馈放大器电路来控制环形压控振荡器的振荡频率具有很高的线性度。
在进一步的优选方案中还能获得更多的优点：例如：通过二极管形式连接的MOS管电流镜电路与VCO的电流偏置管形成了一个电流镜，可以精准的按照两个管子的尺寸比将电流复制到基于电流控制的模数转换器模块中，并且还可以通过改变电流镜管子尺寸的大小来调整电流的比值，这样输入模拟信号电压与基于电流控制的模数转换器模块的输出频率之间的比例系数Kvco也可以进行调节，来减小输入模拟信号电压的摆幅，还减小了对于放大器的设计指标要求，进而达到提高基于电流控制的模数转换器模块线性度的目的。
附图说明
图1为传统输入控制电压转换的VCO偏置电流结构示意图；
图2为本发明实施例提供的有开关电容型输入控制电路和反馈电阻的基于压控振荡器的模数转换器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的栅压自举开关的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的有电阻型输入控制电路无反馈电阻的基于压控振荡器的模数转换器的结构示意图；
图5为为本发明实施例提供的有电阻型输入控制电路和反馈电阻的基于压控振荡器的模数转换器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的有开关电容型输入控制电路无反馈电阻的基于压控振荡器的模数转换器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图1所示，传统的输入控制电压转换为VCO偏置电流的结构是在压控振荡器下接一个尾电流管，通过输入控制电压Vgs来控制漏端电流，此时MOS管的跨导gm决定了VCO的线性度，但由于MOS管的跨导随Vgs并不是恒定的，因此该结构得到的VCO并不是严格线性的。
图2为本发明实施例提供的一种基于压控振荡器的模数转换器的结构示意图，如图2所示，包括放大器模块，电流复制模块和基于电流控制的模数转换器模块。其主要是通过改变输入模拟信号电压转换为VCO偏置电流的放大器模块和电流复制模块实现的。该放大器模块包括工作在深度负反馈的负反馈放大器电路和开关电容型输入控制电路；电流复制模块以及ICO-Based ADC模块。开关电容型输入控制电路的输入端的电容值为C，负反馈放大器电路的反馈电阻大小为Rf，输入模拟信号电压通过电容接到负反馈放大器电路的反相输入端，负反馈放大器电路的正极接地。由理想放大器虚短和虚断的概念，可得到流过电容的电流和反馈电阻的电流是相等的，且在运放的反相输入端电压近似为零。可以得到该运放的直流增益为其中Req为电容的等效电阻，f为两相不交叠时钟的频率。其次是电流复制模块，在放大器的输出级MOS管M6和M7后接两个与输出级尺寸大小均相同的MOS管M8和M9组成的共集电流复制电路，在其输出端接二极管形式连接的MOS管M10，可以保证流过反馈电阻与流入MOS管M10的电流大小相等。原因是外界的两个MOS管M8和M9与负反馈放大器电路输出级MOS管M6和M7完全相同，使得流过它们的电流也完全相同，由基尔霍夫电流定律可知流过反馈电阻的电流和流入个MOS管M10的电流相同，实现了电流的复制。二极管接法的MOS管M10与ICO-Based ADC模块的电流偏置管M11形成了一个电流镜，可以精准的按照两个管子的尺寸比将电流复制到M11，并且还可以通过改变电流镜管子尺寸的大小来调整电流的比值，这样输入模拟信号电压与环型压控振荡器VCO的输出频率之间的比例系数Kvco也可以进行调节，来减小输入模拟信号电压的摆幅，还减小了对于负反馈放大器电路的设计指标要求，进而达到提高基于压控振荡器的模数转换器线性度的目的。
输入控制电路为栅压自举开关型输入控制电路时，如图3所示，首先在时钟的前半个周期时，也就是开关未导通时，由电源为电容充电使得电容两端的电压为恒定值；在后半个时钟周期时，由电容给开关的栅极和源极供电，从而使开关管的栅源电压为一个恒定值，可以提高开关的线性度，进一步提高电路的线性度。
所述输入控制电路为电阻型输入控制电路时，如图4所示，输入的模拟信号电压通过电阻型输入控制电路即电阻Rin接入负反馈放大器电路，负反馈放大器电路的输出端与反相输入端直接连接，该结构避免了由于接入开关电容型输入控制电路引起的非线性，而且简化了电路的结构，通过输出端与反馈放大器电路内的M2栅极直接相连，可直接将输出信号反馈回输入端，因为在输出端只是复制了反馈回路中的电流，对于放大器的闭环增益并没有要求，采用这种接法不仅可以减小电路的复杂程度还可以降低电路的功耗，有利于提升基于压控振荡器模数转换器的线性度。同时，负反馈放大器电路的输出端也可以通过反馈电阻与反相输入端连接，如图5所示。
当输入控制电路为开关电容型输入控制电路，负反馈放大器电路的输出端与反相输入端直接连接时，如图6所示，相对于输入控制电路为电阻型输入控制电路的接法可以更好的保证其线性度。
一种提高基于压控振荡器的模数转换器线性度的方法,包括以下步骤：
S1、通过放大器模块控制输入模拟信号电压，经过闭环负反馈连续时间放大输出电流信号；
S2、电流复制模块将所述电流信号复制输出与所述电流信号相等的VCO偏置电流；
S3、基于电流控制的模数转换器模块根据接收到的所述VCO偏置电流转换为对应的数字信号。
所述步骤S1包括以下步骤：S1-1、放大器模块中的开关电容型输入控制电路或栅压自举开关型输入控制电路或电阻型输入控制电路控制输入模拟信号电压；S1-2、放大器模块中的负反馈放大器电路的反相输入端根据输入控制电路输出的信号连续时间放大输出电流信号。
所述步骤S2包括以下步骤：S2-1、电流复制模块中的两MOS管组成的共集电流复制电路将所述电流信号复制输出相等的电流信号；S2-2、电流复制模块中的二极管形式连接的MOS管电流镜电路将所述电流信号通过电流镜的方式输出VCO偏置电流。通过二极管形式连接的MOS管电流镜电路与VCO的电流偏置管形成了一个电流镜，可以精准的按照两个管子的尺寸比将电流复制到基于电流控制的模数转换器模块中，并且还可以通过改变电流镜管子尺寸的大小来调整电流的比值，这样输入模拟信号电压与基于电流控制的模数转换器模块的输出频率之间的比例系数Kvco也可以进行调节，来减小输入模拟信号电压的摆幅，还减小了对于放大器的设计指标要求，进而达到提高基于电流控制的模数转换器模块线性度的目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。