本發(fā)明屬于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體涉及一種基于預(yù)量化的高能效高精度低時(shí)延逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog?to?digital?converte，adc)作為溝通物理世界和數(shù)字電路的橋梁，在大規(guī)模的集成電路中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。對(duì)于應(yīng)用在便攜式醫(yī)療設(shè)備，尤其是醫(yī)療健康管理方面的儀器，比如心電圖、腦電圖等設(shè)備需要高精度和低時(shí)延的adc來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性；以及隨著工業(yè)自動(dòng)化和汽車電子的發(fā)展，傳感器數(shù)據(jù)采集過(guò)程中用于監(jiān)控和控制過(guò)程的各種傳感器需要高精度和低時(shí)延的adc，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理。高精度低時(shí)延模數(shù)轉(zhuǎn)換器在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及技術(shù)的快速發(fā)展，使其成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

2、在具有不同性能特點(diǎn)的各類adc中，逐次逼近型(successive?approximationregister，sar)adc是高精度低時(shí)延模數(shù)轉(zhuǎn)換器的具體實(shí)現(xiàn)方式之一，其在高精度、中等采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域具有最佳低時(shí)延、高能效的特點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。

3、伴隨著sar?adc的高精度低時(shí)延要求提高，其功耗也進(jìn)一步增大。sar?adc的功耗和精度會(huì)受到采樣時(shí)生成的熱噪聲的影響。為了提高精度，通常需要增大其內(nèi)部電容陣列的尺寸來(lái)抑制熱噪聲并提高分辨率，但這伴隨著面積和功耗的增加。同時(shí)增大電容尺寸也給adc輸入驅(qū)動(dòng)器和參考緩沖器帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

4、通過(guò)采樣噪聲消除技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在減小adc電容尺寸的同時(shí)不引入采樣噪聲，降低adc噪聲、功耗并減小芯片面積這一目的。采樣噪聲消除技術(shù)通過(guò)在噪聲存儲(chǔ)階段將輸入信號(hào)和采樣噪聲同時(shí)通過(guò)運(yùn)算放大器放大后存儲(chǔ)在噪聲存儲(chǔ)電容上來(lái)消除采樣噪聲。但是運(yùn)算放大器的輸出擺幅有限，為了避免運(yùn)算放大器在此階段飽和，需減小采樣噪聲的存儲(chǔ)時(shí)間。因此，運(yùn)放的建立時(shí)間也會(huì)縮短，對(duì)電路的帶寬要求變高，比較器的功耗變大。同時(shí)運(yùn)放的增益也會(huì)受到限制，噪聲存儲(chǔ)電容的噪聲衰減效果也會(huì)減小。

5、因此，當(dāng)前基于采樣噪聲消除技術(shù)的sar?adc由于運(yùn)算放大器在二次采樣階段工作時(shí)間和擺幅的折衷導(dǎo)致adc能效較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于預(yù)量化的高能效高精度低時(shí)延逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以解決當(dāng)前基于采樣噪聲消除技術(shù)的sar?adc由于運(yùn)算放大器在二次采樣階段工作時(shí)間和擺幅的折衷導(dǎo)致adc能效較低的問(wèn)題。

2、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于預(yù)量化的高能效高精度低時(shí)延逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括：

3、數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列，數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列包括主體電容及預(yù)量化電容，主體電容及預(yù)量化電容的一端分別通過(guò)多個(gè)第一開(kāi)關(guān)與接地端、共模電壓端及參考電壓端相連，另一端均與檢測(cè)量化模塊及采樣噪聲消除模塊的輸入端相連，主體電容用于在第一采樣階段對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣得到采樣信號(hào)，在量化階段作為數(shù)模轉(zhuǎn)換電容進(jìn)行量化，預(yù)量化電容用于在第二采樣階段控制輸入信號(hào)擺幅；

4、檢測(cè)量化模塊，檢測(cè)量化模塊的第一輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列的第一輸入端相連，檢測(cè)量化模塊的第二輸出端與逐次逼近量化模塊的第一輸入端相連，檢測(cè)量化模塊用于在第二采樣階段通過(guò)采樣信號(hào)檢測(cè)輸入信號(hào)擺幅，并在輸入信號(hào)擺幅大于預(yù)設(shè)擺幅閾值時(shí)生成第一開(kāi)關(guān)控制信號(hào)和預(yù)量化碼字；其中，第一開(kāi)關(guān)控制信號(hào)用于控制與預(yù)量化電容相連的第一開(kāi)關(guān)以降低輸入信號(hào)擺幅；

5、采樣噪聲消除模塊，采樣噪聲消除模塊的輸出端與逐次逼近量化模塊的第二輸入端相連，采樣噪聲消除模塊用于在第二采樣階段存儲(chǔ)數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列產(chǎn)生的第一采樣噪聲，并在量化階段消除第一采樣噪聲衰減第二采樣噪聲得到采樣噪聲消除后的信號(hào)；

6、逐次逼近量化模塊，逐次逼近量化模塊的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列的第二輸入端相連，逐次逼近量化模塊用于在量化階段控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列實(shí)現(xiàn)逐次逼近過(guò)程，對(duì)采樣噪聲消除后的信號(hào)進(jìn)行量化處理得到量化數(shù)字碼字，并根據(jù)量化數(shù)字碼字或者量化數(shù)字碼字及預(yù)量化碼字輸出輸入信號(hào)的量化結(jié)果。

7、本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比存在的有益效果是：由于本發(fā)明在dac電容陣列中設(shè)置了預(yù)量化電容，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中設(shè)置了檢測(cè)量化模塊，使得在存儲(chǔ)噪聲的第二采樣階段輸入信號(hào)的擺幅較大時(shí)檢測(cè)量化模塊能夠生成第一開(kāi)關(guān)控制信號(hào)控制預(yù)量化電容，降低輸入信號(hào)擺幅；因此，本發(fā)明提供的模數(shù)轉(zhuǎn)換器無(wú)需考慮運(yùn)算放大器在采樣階段飽和的因素而縮短采樣時(shí)間；從而能夠避免因采樣時(shí)間縮短帶來(lái)的對(duì)帶寬要求變高、比較器功耗變大、噪聲衰減效果變差等一系列問(wèn)題，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于預(yù)量化的高能效高精度低時(shí)延逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括采樣模塊，所述采樣模塊的輸出端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列的第三輸入端相連，所述采樣模塊用于在所述第一采樣階段和所述第二采樣階段對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述采樣噪聲消除模塊包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述逐次逼近量化模塊包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述噪聲存儲(chǔ)電容具體用于存儲(chǔ)所述第一采樣噪聲，然后通過(guò)存儲(chǔ)在所述噪聲存儲(chǔ)電容上的第一采樣噪聲抵消所述采樣信號(hào)中的第一采樣噪聲來(lái)進(jìn)行噪聲消除處理。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述存儲(chǔ)在所述噪聲存儲(chǔ)電容上的第一采樣噪聲滿足下述公式：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，第一采樣噪聲殘差滿足下述公式：

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的理想的總采樣噪聲滿足下述公式：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述預(yù)設(shè)擺幅閾值包括多級(jí)閾值，若所述輸入信號(hào)擺幅大于第i級(jí)閾值，則控制所述第i級(jí)閾值對(duì)應(yīng)的預(yù)量化電容。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，若所述輸入信號(hào)擺幅第一次大于所述預(yù)設(shè)擺幅閾值，則控制所述預(yù)設(shè)擺幅閾值對(duì)應(yīng)的預(yù)量化電容；若所述輸入信號(hào)擺幅再次大于所述預(yù)設(shè)擺幅閾值，則控制剩余的預(yù)量化電容。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于預(yù)量化的高能效高精度低時(shí)延逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列、檢測(cè)量化模塊、采樣噪聲消除模塊及逐次逼近量化模塊；數(shù)模轉(zhuǎn)換電容陣列用于采樣和實(shí)現(xiàn)逐次逼近過(guò)程，其包括主體電容和預(yù)量化電容；在存儲(chǔ)采樣噪聲的第二采樣階段，當(dāng)輸入信號(hào)擺幅大于預(yù)設(shè)擺幅閾值時(shí)，檢測(cè)量化模塊控制預(yù)量化電容以降低輸入信號(hào)擺幅；采樣噪聲消除模塊消除采樣噪聲，逐次逼近量化模塊進(jìn)行量化生成量化結(jié)果。本發(fā)明提升了高精度低時(shí)延逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的能效，降低了功耗和面積開(kāi)銷，綜合性能較好。

技術(shù)研發(fā)人員：沈易,劉梓昕,黃安吉,劉欣茹,劉術(shù)彬,丁瑞雪,朱樟明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)杭州研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/17