基于LC型压控振荡器的反馈型模数转换器及其实现方法

本发明涉及基于时域的模数转换，尤其涉及一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器及其实现方法。

背景技术：

1、模数转换技术是连接现实世界和现代信息技术的桥梁。现代物联网的发展更是显著增加了对小型化、低功耗模数转换技术的需求。传统模数转换技术基于电压域，通过精细的电压测量与比较，实现高精度的数字化，该技术思路经过几十年的发展，已形成了多样化的技术架构，涵盖了不同应用领域的需求。然而随着半导体工艺技术的发展，芯片工作电压越来越低，工作电压的降低虽然有利于大规模数字集成电路的实现，却给基于电压域的模数转换技术带来了新的挑战，具体表现为，工作电压的降低缩减了模拟电路的动态范围，也同时增加了电路结构随着工艺迁移的难度。通过电压-时间转换，在时域中完成数字化的技术路线，为突破电压域模数转换面临的诸多限制提供了一个新思路。压控振荡器是一种常见的电压-时间转换器件。该技术路线通过压控振荡器将电压信号转换为时域的频率或相位，进而通过频率或相位测量，实现电信号的数字化。频率或相位等时间量的测量，完全可以由数字电路实现，并且高精度时间量的测量更加契合先进半导体工艺的发展。

2、从技术特征来说，基于压控振荡器的模数转换技术对应于电压域的sigma-delta模数转换器（σ-δ adc）。在物联网时代，sigma-delta模数转换器得到了广泛认可。然而，传统sigma-delta模数转换器中的运算跨导放大器（ota）和比较器等电路模块在半导体工艺发展过程中可能会遇到许多限制。随着半导体工艺的发展，晶体管的固有增益下降，同时电路的供电电压也随之降低，这限制了电路的输入范围，并导致信噪比的降低。因此，设计一种适应半导体工艺发展的sigma-delta模数转换器非常重要。

3、振荡环（ro）型压控振荡器是实现压控振荡器的一种方法。ro型压控振荡器是通过串联若干个延时电路构成振荡环路来实现的。数字电路中的反相器电路是一种典型的延时单元。随着半导体工艺的发展，延时电路的单位延时可以做到更小，这使得该结构更适应半导体工艺的发展。在ro型压控振荡器中，利用每个延时电路节点的输出，可以巧妙实现振荡信号的相位量化，这在一定程度上促进了基于ro型压控振荡器的模数转换技术的发展。然而，压控振荡器的相位噪声是限制基于压控振荡器的模数变换性能的一个关键因素，在同等条件下，ro型压控振荡器的相位噪声要高于lc型压控振荡器。采用lc型压控振荡器实现模数转换是一个潜在的实现技术。然而lc型压控振荡器的相位节点数仅为一个，这加大了高精度相位量化的难度。同时类似ro型压控振荡器所实现的模数转换器，基于lc型压控振荡器所实现的模数转换器同样要解决压控振荡器电压-频率转换非线性对模数转换性能的影响。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器及其实现方法，可以抑制lc型压控振荡器的电压-频率转换非线性对模数转换精度的影响，提高线性度，该方案具有低功耗、结构简单、噪声整形，以及自带相位量化动态元素匹配等特点，可以对信号进行精确测量，与利用振荡环型压控振荡器所实现的模数转换器相比，本发明具有更优的相位噪声。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，包括：运算放大器模块、lc型压控振荡器模块、参考时钟模块、基于延时链的相位鉴别模块与数模转换模块；其中：

4、所述运算放大器模块，用于计算输入信号与数模转换模块输出的反馈信号的差值结果；

5、所述lc型压控振荡器模块，用于感知运算放大器模块输出的差值结果，并转换为振荡信号；其中，lc是指电感l与压控电容c；

6、所述参考时钟模块，用于生成时钟参考信号，并输出至基于延时链的相位鉴别模块；

7、所述基于延时链的相位鉴别模块，用于采样lc型压控振荡器模块输出的振荡信号，并鉴别其与时钟参考信号之间的相位差值；

8、所述数模转换模块，用于将基于延时链的相位鉴别模块输出的相位差值进行数模转换，将转换后得到的反馈信号输出至运算放大器模块。

9、一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器实现方法，基于前述的反馈型模数转换器实现，该方法包括：

10、通过运算放大器模块计算输入信号与数模转换模块输出的反馈信号之间的差值结果，并将该差值结果送入lc型压控振荡器模块；lc型压控振荡器模块将该差值结果转换为振荡信号；在参考时钟模块生成的时钟参考信号的辅助下，基于延时链的相位鉴别模块对振荡信号与时钟参考信号的相位信息进行量化，计算出两个信号之间的相位差值，相位差值经过数模转换模块进行数模转换后，获得的反馈信号输出至运算放大器模块。

11、由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过相位鉴别模块并结合反馈回路对压控振荡器振荡信号相位信息进行量化，可以解决在利用lc型压控振荡器实现模数转化的过程中，相位信息量化精度受限于lc型压控振荡器单相位节点输出的问题。对比基于ro型压控振荡器所实现的模数转化器，本发明采用lc型压控振荡器来实现电压信号到时域信号的转换，具备更优的相位噪声。本发明还利用输入信号频率和采样时钟频率的不相干性，在对压控振荡器振荡信号相位信息进行量化时，自动实现相位量化的动态元素匹配，降低相位鉴别模块的非线性影响。

技术特征：

1.一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，包括：运算放大器模块、lc型压控振荡器模块、参考时钟模块、基于延时链的相位鉴别模块与数模转换模块；其中：

2.根据权利要求1所述的一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，所述运算放大器模块实现单端输出的减法器功能，包含两个输入端与一个输出端，两个输入端各自单独输入输入信号或者数模转换模块输出的反馈信号，输出端输出差值结果。

3.根据权利要求1所述的一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，所述lc型压控振荡器模块包括：基于电感l与压控电容c组成的振荡网络，通过所述振荡网络感知电压信号，将电压信号转换为振荡信号；所述电压信号为所述差值结果对应的信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，所述参考时钟模块使用时钟生成装置实现，参考时钟模块产生的时钟参考信号，作为所述基于延时链的相位鉴别模块的一个输入信号，辅助基于延时链的相位鉴别模块的工作。

5.根据权利要求1所述的一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，所述基于延时链的相位鉴别模块包含两条延时链以及相位鉴别电路，每一条延时链单独输入振荡信号或者时钟参考信号，两条延时链的输出经相位鉴别电路获得相位差值。

6.根据权利要求5所述的一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，还包括：每一条延时链均由设定数量的延时单元组成。

7.根据权利要求1~6任一项所述的一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器，其特征在于，还包括：数模转换模块的反馈信号输出至运算放大器模块后，形成反馈回路；

8.一种基于lc型压控振荡器的反馈型模数转换器实现方法，其特征在于，基于权利要求1~7任一项所述的反馈型模数转换器实现，该方法包括：

技术总结本发明公开了一种基于LC型压控振荡器的反馈型模数转换器及其实现方法，它们是相对应的方案，方案中：利用LC型压控振荡器感知电压信号（差值结果），并转换成时域信号（振荡信号），进而在时域中实现信号的量化测量；该方案法利用延时链来实现LC型压控振荡器信号的高速采样和高精度量化，通过反馈回路，可以抑制LC型压控振荡器的电压‑频率转换非线性对模数转换精度的影响，提高系统的线性度；整个方案的结构具有低功耗、结构简单、噪声整形，以及自带相位量化动态元素匹配等特点，可以对信号进行精确测量。与利用振荡环型压控振荡器所实现的模数转换器相比，本发明具有更优的相位噪声。技术研发人员：王进红,陈晨曦,胡雪野,刘树彬受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17