一种低电压VCO-ADC的设计与校准方法

佟星元，杨 梅，郭 慧

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)是连接模拟域和数字域的“桥梁”[1]，是片上系统(System-on-Chip, SoC)中必不可少的组成部分。常见的ADC在模拟域完成数字量化[2]。随着集成电路工艺特征尺寸的不断缩小和晶体管特征频率的不断升高，数字电路的时钟频率得以提升。时钟频率的提高有利于增加时间域的分辨率。目前，越来越多的新兴应用领域需要ADC在低电源电压条件下工作。在低电源电压条件下，一方面，受限于比较器的精度，高性能ADC的设计变得更加困难[3]；另一方面，模拟输入信号从模拟域直接量化成数字信号也变得越来越困难。因此，在低电压条件下，将信号从模拟域转换到时间域，在时间域内完成数字量化的方式广受关注。

基于压控振荡器(Voltage Control Oscillator, VCO)的ADC(VCO-ADC)是一种典型的时间域ADC[4]。VCO-ADC电路具有数字化程度较高，与电源电压演进的兼容性较好等优点，有利于ADC在低压下工作[5]。然而，由于VCO电压-频率特征曲线的非线性特征，导致VCO输出的正弦振荡波形存在谐波，从而影响整体ADC的性能，并且随着电源电压的降低和对精度要求的提高，非线性问题会变得更加严重。

虽然采用差分结构，可以有效抑制偶次谐波和共模干扰[6]，但也只能在一定程度上改善线性度，很难实现高精度。针对VCO-ADC线性度较差的问题，一般有数字校准技术[7-9]、增加反馈环路[10]和多通道相位技术[11]等多种改善方法。其中，由于数字校准技术的电路数字化程度高，工艺移植性和电压演进的兼容性都较好。……