本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計領(lǐng)域,特別涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù):
1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital?converter,adc)實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口的關(guān)鍵部件,在消費電子、工業(yè)電子等應(yīng)用中有著重要的作用。過采樣adc是高精度應(yīng)用中常用的一種adc架構(gòu)。如圖1所示,過采樣adc通常由adc核心和數(shù)字濾波器構(gòu)成,數(shù)字濾波器對adc核心轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字碼進行濾波處理,以實現(xiàn)提高精度等作用。
2、在理想情況下,adc的輸出等于輸入信號,即dout=vin。然而由于adc核心的非理想性,在將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程中,會引入多種誤差,如失調(diào)電壓、噪聲、量化誤差等??捎霉奖磉_為:
3、dout=vin+vos+vn+q
4、其中,dout為數(shù)字輸出信號,vin為模擬輸入信號,vos為失調(diào)電壓,vn為噪聲,q為量化誤差。一種常見的過采樣adc是δσ(sigma-delta)調(diào)制器。但傳統(tǒng)的高精度δσ調(diào)制器的功耗較高,需要使用低功耗技術(shù)進行改進。zoom?adc(縮放型adc)在δσ調(diào)制器的基礎(chǔ)上結(jié)合了sar?adc(successive?approximation?register?adc,逐次逼近寄存器型adc)的優(yōu)點,擁有高精度、低功耗、低噪聲等優(yōu)點,擁有良好的應(yīng)用前景,結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
5、zoom?adc的轉(zhuǎn)換步驟分為粗量化和精細量化,輸入信號進入zoom?adc,首先進行粗量化。由粗量化結(jié)果決定精細量化的參考基準電壓范圍(vrefn、vrefp)。δσ調(diào)制器用得到的vref作為參考基準電壓處理信號,完成整個zoom?adc量化。
6、參考基準電壓與輸入信號的差值是δσ調(diào)制器中積分器的輸入。zoom?adc通過粗量化為δσ調(diào)制器選擇參考基準電壓縮小vrefp與vrefn之間的范圍,降低了δσ調(diào)制器中積分器的輸入信號范圍,因此積分器可以使用更大的增益系數(shù)。但由于sar?adc的非理想因素,例如電容或者比較器的噪聲和失調(diào)電壓,粗量化選擇的參考電壓偏離輸入信號,如圖4所示,導致δσ調(diào)制器超量程,從而降低系統(tǒng)精度。
7、為了解決這個問題,兩個方法被提出,一是降低sar?adc的分辨率,二是over-ranging(擴大量程)。參考文獻“y.chae,k.souri?and?k.a.a.makinwa,"a6.3μw?20bincremental?zoom-adc?with?6ppm?inl?and?1μv?offset,"2013ieee?internationalsolid-state?circuits?conference?digest?of?technical?papers,san?francisco,ca,usa,2013,pp.276-277”“b.f.sebastiano,r.van?veldhoven?and?k.a.a.makinwa,"a1.65mw?0.16mm2?dynamic?zoom-adc?with?107.5db?dr?in?20khz?bw,"2016ieeeinternational?solid-state?circuits?conference(isscc),san?francisco,ca,usa,2016,pp.282-283”“e.eland,s.karmakar,b.r.van?veldhoven?and?k.makinwa,"a440μw,109.8db?dr,106.5db?sndr?discrete-time?zoom?adc?with?a?20khz?bw,"2020ieee?symposium?on?vlsi?circuits,honolulu,hi,usa,2020,pp.1-2”“y.liu?etal.,"a?4.96μw?15b?self-timed?dynamic-amplifier-based?incremental?zoom?adc,"2022ieee?international?solid-state?circuits?conference(isscc),san?francisco,ca,usa,2022,pp.170-172”都使用了第一種方法,sar?adc的分辨率只有5位或者6位,較低的分辨率讓粗量化選擇的vrefp與vrefn之間的范圍較大。即使因為非理想因素影響粗量化選擇參考基準電壓,也能夠使輸入信號被包含在vrefp與vrefn范圍內(nèi),保證δσ調(diào)制器的正常工作。zoom?adc的分辨率取決于量化區(qū)間[vrefp,vrefn]的范圍大小,以及調(diào)制器的階數(shù)和過采樣率,較低的sar?adc分辨率會降低精度,要達到同樣的精度要更高的osr(oversamplingratio,過采樣率),導致積分器的帶寬要求增大,同時增加adc的功耗。上述四篇參考文獻也提到了擴大量程的方法,方法如圖5所示。
8、引入超量程因子m,讓粗量化選擇的參考電壓擴大范圍,由(vrefp-vrefn)擴大到m*(vrefp-vrefn),使信號能夠被包含在選擇的參考電壓的范圍內(nèi),擴大后參考基準電壓變?yōu)椋?/p>
9、vrefp=(k+m+1)·vlsb
10、vrefn=(k-m)·vlsb
11、粗量化選擇的參考基準電壓范圍擴大放寬了對sar?adc的精度要求,提高了系統(tǒng)的魯棒性。但是,由于sar?adc的轉(zhuǎn)換速度有限,在粗量化選擇δσ調(diào)制器參考基準電壓期間,輸入信號仍在變化,可能移出選擇的參考基準電壓范圍,使得δσ調(diào)制器無法正常工作。擴大量程增加了δσ調(diào)制器中積分器的輸入范圍。積分環(huán)路因為更大的輸入導致不穩(wěn)定,同時也對積分器的線性度提出了更高的要求。
12、zoom?adc結(jié)合了δσ調(diào)制器和sar?adc的優(yōu)點,具有高精度、低功耗、低噪聲等優(yōu)點。但是由于sar?adc的噪聲和失調(diào)電壓等非理想因素,導致精細量化期間的輸入信號超量程,zoom?adc的精度受到抑制。為了解決這一問題,一種方式是降低sar?adc的精度,但是δσ調(diào)制器需要的osr更高,對積分器的帶寬要求更高。另外一種方式是增大δσ調(diào)制器參考基準電壓范圍,但使得δσ調(diào)制器的積分器的輸出信號擺幅增大,線性度要求提高,設(shè)計難度增加。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提出一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc,通過將lsb(least?significant?bit,最低有效位)重復(fù)比較后的數(shù)字碼字累加后反饋到跟蹤電容陣列上,解決zoom?adc的超量程誤差問題。
2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案之一為:一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc,粗量化adc電容陣列、跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊;zoom?adc一個完整的工作周期依次包括三個部分:采樣、粗量化轉(zhuǎn)換周期、自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期;
3、在采樣期間,粗量化adc電容陣列對輸入信號進行采集;
4、在粗量化轉(zhuǎn)換周期,粗量化adc電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯參與粗量化過程;比較器對粗量化adc電容陣列的上極板電平進行量化后,通過數(shù)字邏輯模塊寄存并傳輸給粗量化adc電容陣列的下極板,生成下一個粗量化過程的殘差電壓;該粗量化過程進行m次,m為粗量化位數(shù);
5、在自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期,zoom?adc采用自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換,該周期包括osr次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊參與每一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;跟蹤電容陣列上極板的電平在積分器上積分后,通過比較器量化,再通過數(shù)字邏輯模塊寄存得到數(shù)字碼dt,通過對dt的數(shù)字域積分后,將該值傳遞給跟蹤電容陣列的下極板,在上極板生成新的殘差電壓參與下一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;
6、粗量化得到的數(shù)字碼字與自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換數(shù)字碼字dt進行對齊與重組,最終得到zoom?adc的數(shù)字輸出。
7、本發(fā)明采用的技術(shù)方案之二為:一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc,包括:粗量化adc電容陣列、跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊;zoom?adc一個完整的工作周期依次包括三個部分:采樣、粗量化轉(zhuǎn)換周期、自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期;
8、在采樣期間,粗量化adc電容陣列對輸入信號進行采集;
9、在粗量化轉(zhuǎn)換周期,粗量化adc電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯參與粗量化過程;比較器對粗量化adc電容陣列的上極板電平進行量化后,通過數(shù)字邏輯寄存并傳輸給粗量化adc電容陣列的下極板,生成下一個粗量化過程的殘差電壓;該粗量化過程進行m次,m為粗量化位數(shù);
10、在自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期,zoom?adc采用自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換,該周期包括osr次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯參與每一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;跟蹤電容陣列上極板的電平在積分器上積分后,通過比較器量化,再通過數(shù)字邏輯模塊寄存得到數(shù)字碼dt,通過對dt累加處理轉(zhuǎn)換為二進制信號,將該二進制信號傳遞給跟蹤電容陣列的下極板,在上極板生成新的殘差電壓參與下一次精量化轉(zhuǎn)換;
11、粗量化得到的數(shù)字碼字與自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換數(shù)字碼字dt進行對齊與重組,最終得到zoom?adc的數(shù)字輸出。
12、本發(fā)明采用的技術(shù)方案之三為:一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc,包括:電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊;zoom?adc一個完整的工作周期依次包括三個部分:采樣、粗量化轉(zhuǎn)換周期、自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期;
13、在采樣期間,電容陣列對輸入信號進行采集;
14、在粗量化轉(zhuǎn)換周期,電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯模塊參與粗量化過程;比較器對電容陣列的上極板電平進行量化后,通過數(shù)字邏輯模塊寄存并傳輸給粗量化電容陣列的下極板,生成下一個粗量化過程的殘差電壓;該過程進行m次,m為粗量化位數(shù);
15、在自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期,zoom?adc采用自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換,該周期包括osr次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊參與每一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;電容陣列上極板的電平在積分器上積分后,通過比較器量化,再通過數(shù)字邏輯模塊寄存得到數(shù)字碼dt,通過對dt與粗量化碼字在數(shù)字域進行加法處理,將該值傳遞給電容陣列的下極板,在上極板生成新的殘差電壓參與下一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過程;
16、粗量化得到的數(shù)字碼字與自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換數(shù)字碼字dt進行對齊與重組,最終得到zoom?adc的數(shù)字輸出。
17、本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提出的zoom?adc,通過增加跟蹤電容陣列,對sar?adc量化后的lsb位重復(fù)比較后的數(shù)字碼進行積分并反饋到跟蹤電容陣列上,能夠自適應(yīng)跟蹤信號,解決了傳統(tǒng)zoom?adc容易過載的問題,增加了sar?adc的有效位數(shù),在同樣的能量消耗情況下,能夠得到更高精度。
18、本發(fā)明提出的自適應(yīng)跟蹤技術(shù)的設(shè)計實施例,能夠有效解決傳統(tǒng)zoom?adc精細轉(zhuǎn)換期間的超量程誤差問題,增加了sar?adc的有效位數(shù),提高了zoom?adc的精度且電路復(fù)雜度低,降低成本。