本公開涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、常見的奈奎斯特模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc，analog-to-digital?converter)包括閃爍型adc、兩步式adc、流水線adc、逐次逼近型adc等。其中，逐次逼近型(sar，successiveapproximation?register)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、面積小等優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用于中高精度低速應(yīng)用中。高精度sar?adc的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)主要是受到dac網(wǎng)絡(luò)和高精度比較器的限制。dac網(wǎng)絡(luò)存在以下瓶頸：隨著精度的提高，電容數(shù)量呈指數(shù)增加，且受到kt/c噪聲的影響，單位電容的取值也有所增加，導(dǎo)致面積增加，功耗增大，模數(shù)轉(zhuǎn)換速度也受到影響。

2、在目前高精度sar?adc中，電容陣列均采用分段方式，能夠緩解電容呈指數(shù)增長(zhǎng)的問題，減小電容陣列的面積。分段方法多種多樣，將電容陣列分為msb(most?significantbit，最高有效位)電容陣列和lsb(least?significant?bit，最低有效位)電容陣列，通過耦合電容橋接而成，耦合電容的值需要滿足：lsb電容陣列和耦合電容串聯(lián)后的值等于msb電容陣列的最低位電容值。分段方式從分兩段到四段不止，橋接電容采用單位電容或單位電容的倍數(shù)。例如對(duì)10位sar?adc，可以選擇“5+5”、“6+4”、“7+3”等，不同的分段方式面積、功耗、非線性都有所不同，根據(jù)自己設(shè)計(jì)需求權(quán)衡利弊取得，但是單位電容值的大小依然受到kt/c噪聲的限制，導(dǎo)致adc面積和功耗限制，轉(zhuǎn)換速度和精度也會(huì)受到噪聲影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開實(shí)施例的目的在于提供一種具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中kt/c噪聲限制導(dǎo)致的adc面積大、功耗高以及轉(zhuǎn)換速度、精度低的問題。

2、本公開的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：一種具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，至少包括：采樣單元、前置放大單元以及邏輯轉(zhuǎn)換單元；其中，所述采樣單元至少包括第一電容陣列、第一運(yùn)算放大器、第二電容陣列，所述第一電容陣列的一側(cè)通過第一開關(guān)接入差分的輸入信號(hào)或公共信號(hào)，所述第一電容陣列的另一側(cè)與所述第一運(yùn)算放大器的差分輸入端連接，所述第一運(yùn)算放大器的差分輸出端與所述第二電容陣列的一側(cè)連接，所述第二電容陣列的另一側(cè)與所述前置放大單元的輸入端連接，并且，所述第一電容陣列的另一側(cè)還通過第二開關(guān)與共模信號(hào)連接，所述第二電容陣列的另一側(cè)還通過第三開關(guān)與所述共模信號(hào)連接；所述前置放大單元用于對(duì)所述采樣單元輸出的信號(hào)幅度進(jìn)行增強(qiáng)；所述邏輯轉(zhuǎn)換單元用于對(duì)所述前置放大單元處理后的信號(hào)進(jìn)行逐次邏輯轉(zhuǎn)換，并基于比較結(jié)果調(diào)整所述第一電容陣列接入的公共信號(hào)，直至輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。

3、在一些實(shí)施例中，所述第一運(yùn)算放大器為動(dòng)態(tài)運(yùn)算放大器。

4、在一些實(shí)施例中，所述采樣單元還包括：第三電容陣列和第四開關(guān)，所述第三電容陣列的一側(cè)與所述第一運(yùn)算放大器的差分輸出端連接，所述第三電容陣列的另一側(cè)與所述共模信號(hào)連接，所述第四開關(guān)為所述第三開關(guān)的互補(bǔ)開關(guān)。

5、在一些實(shí)施例中，所述前置放大單元至少包括：串聯(lián)的第二運(yùn)算放大器和第三運(yùn)算放大器，以及互補(bǔ)的第五開關(guān)和第六開關(guān)，所述第二運(yùn)算放大器的差分輸入端與所述第二電容陣列的另一側(cè)連接，所述第三運(yùn)算放大器的差分輸出端作為所述前置放大單元的輸出端與所述邏輯轉(zhuǎn)換單元連接；所述第五開關(guān)的一端與所述第三運(yùn)算放大器的差分輸出端連接，所述第五開關(guān)的另一端與所述邏輯轉(zhuǎn)換單元連接，所述第六開關(guān)的一端與所述第二運(yùn)算放大器的差分輸入端連接，所述第六開關(guān)的另一端與所述第五開關(guān)的另一端連接。

6、在一些實(shí)施例中，所述第二運(yùn)算放大器和所述第三運(yùn)算放大器為靜態(tài)運(yùn)算放大器。

7、本公開的實(shí)施例還提供一種如上述的具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制方法，至少包括：采樣階段和量化階段；所述采樣階段至少包括第一電容陣列采樣周期和第二電容陣列采樣周期，其中，在所述第一電容陣列采樣周期，邏輯轉(zhuǎn)換單元控制第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)閉合，以使第一電容陣列對(duì)差分的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣；在第二電容陣列采樣周期，邏輯轉(zhuǎn)換單元控制第一開關(guān)和第三開關(guān)閉合，第二開關(guān)斷開，以使第一電容陣列兩端的電壓被凍結(jié)為vin(t1)+v1，第二電容陣列對(duì)第一運(yùn)算放大器輸出的放大信號(hào)進(jìn)行采樣；其中，vin(t1)為第二開關(guān)斷開時(shí)第一電容陣列所采集的輸入信號(hào)，v1為第一電容陣列的采樣熱噪聲；在量化階段，所述邏輯轉(zhuǎn)換單元控制第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)斷開，以使第二電容陣列兩端的電壓被凍結(jié)為a[vin(t2)-vin(t1)-v1-vos1]+v2，并開始進(jìn)行逐次邏輯轉(zhuǎn)換，直至第二電容陣列的另一側(cè)電壓為0，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)dout＝vin(t2)+v2/a，其中，vin(t2)為第三開關(guān)斷開時(shí)第一電容陣列所采集的輸入信號(hào)，a為第一運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，vos1為第一運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，v2為第二電容陣列的采樣熱噪聲。

8、在一些實(shí)施例中，所述量化階段還包括：所述邏輯轉(zhuǎn)換單元驅(qū)動(dòng)所述第一運(yùn)算放大器復(fù)位，并閉合第四開關(guān)。

9、在一些實(shí)施例中，所述量化階段還包括：在第一次邏輯轉(zhuǎn)換、第n次邏輯轉(zhuǎn)換至最后一次邏輯轉(zhuǎn)換過程中，所述邏輯轉(zhuǎn)換單元控制第五開關(guān)斷開，第六開關(guān)閉合；在第二次邏輯轉(zhuǎn)換至第n-1次邏輯轉(zhuǎn)換過程中，所述邏輯轉(zhuǎn)換單元控制所述第五開關(guān)閉合，所述第六開關(guān)斷開。

10、在一些實(shí)施例中，根據(jù)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源電壓、參考電壓和共模電壓的值，計(jì)算n的值。

11、在一些實(shí)施例中，在所述采樣階段之后，還包括擾動(dòng)電壓注入階段；其中，在注入正擾動(dòng)電壓時(shí)，所述邏輯轉(zhuǎn)換單元控制所述第一電容陣列中的第一復(fù)用電容的一側(cè)由共模電壓切換到參考電壓，控制所述第一電容陣列中的第二復(fù)用電容的一側(cè)由共模電壓切換到地；在注入負(fù)擾動(dòng)電壓時(shí)，所述邏輯轉(zhuǎn)換單元控制第一復(fù)用電容的一側(cè)由共模電壓切換到地，控制第二復(fù)用電容的一側(cè)由共模電壓切換到參考電壓；其中，所述第一復(fù)用電容和所述第二復(fù)用電容為具有不同單位容值的電容，所述第一復(fù)用電容的另一側(cè)與第一運(yùn)算放大器的正相輸入端連接，所述第二復(fù)用電容的另一側(cè)與第一運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，在所述擾動(dòng)電壓注入階段，所述第一電容陣列中除去所述第一復(fù)用電容和第二復(fù)用電容以外的其他電容狀態(tài)保持不變，保持與共模電壓的連接。

12、本公開實(shí)施例的有益效果在于：通過對(duì)sar?adc中采樣單元的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用第一電容陣列和第二電容陣列的配合，實(shí)現(xiàn)在采樣過程中對(duì)時(shí)變的噪聲電壓的凍結(jié)，并在量化階段將其視為前置輸入的固定失調(diào)電壓，基于失調(diào)的消除技術(shù)進(jìn)行消除，進(jìn)而使第一電容陣列的采樣熱噪聲和第一運(yùn)算放大器的失調(diào)均被消除，第二電容陣列的采樣熱噪聲被縮小，有效降低整體模數(shù)轉(zhuǎn)換器的kt/c噪聲大小，從而使電容陣列的取值不再受到kt/c噪聲的影響，電容陣列有效面積和dac建立時(shí)間都得到縮小，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和精度都得到提升。

技術(shù)特征：

1.一種具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，至少包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述第一運(yùn)算放大器為動(dòng)態(tài)運(yùn)算放大器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述采樣單元還包括：第三電容陣列和第四開關(guān)，所述第三電容陣列的一側(cè)與所述第一運(yùn)算放大器的差分輸出端連接，所述第三電容陣列的另一側(cè)與所述共模信號(hào)連接，所述第四開關(guān)為所述第三開關(guān)的互補(bǔ)開關(guān)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述前置放大單元至少包括：串聯(lián)的第二運(yùn)算放大器和第三運(yùn)算放大器，以及互補(bǔ)的第五開關(guān)和第六開關(guān)，所述第二運(yùn)算放大器的差分輸入端與所述第二電容陣列的另一側(cè)連接，所述第三運(yùn)算放大器的差分輸出端作為所述前置放大單元的輸出端與所述邏輯轉(zhuǎn)換單元連接；所述第五開關(guān)的一端與所述第三運(yùn)算放大器的差分輸出端連接，所述第五開關(guān)的另一端與所述邏輯轉(zhuǎn)換單元連接，所述第六開關(guān)的一端與所述第二運(yùn)算放大器的差分輸入端連接，所述第六開關(guān)的另一端與所述第五開關(guān)的另一端連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述第二運(yùn)算放大器和所述第三運(yùn)算放大器為靜態(tài)運(yùn)算放大器。

6.一種如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制方法，其特征在于，至少包括：采樣階段和量化階段；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述量化階段還包括：所述邏輯轉(zhuǎn)換單元驅(qū)動(dòng)所述第一運(yùn)算放大器復(fù)位，并閉合第四開關(guān)。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述量化階段還包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源電壓、參考電壓和共模電壓的值，計(jì)算n的值。

10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于，在所述采樣階段之后，還包括擾動(dòng)電壓注入階段；其中，

技術(shù)總結(jié)
本公開提供了一種具有噪聲消除的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其控制方法。本實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括：采樣單元、前置放大單元以及邏輯轉(zhuǎn)換單元；采樣單元包括第一電容陣列、第一運(yùn)算放大器、第二電容陣列，第一電容陣列的一側(cè)通過第一開關(guān)接入輸入信號(hào)或公共信號(hào)，第一電容陣列的另一側(cè)與第一運(yùn)算放大器的差分輸入端連接，第一運(yùn)算放大器的差分輸出端與第二電容陣列的一側(cè)連接，第二電容陣列的另一側(cè)與前置放大單元的輸入端連接，第一電容陣列的另一側(cè)通過第二開關(guān)與共模信號(hào)連接，第二電容陣列的另一側(cè)通過第三開關(guān)與共模信號(hào)連接。本公開通過對(duì)采樣單元的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在采樣過程中對(duì)時(shí)變的噪聲電壓的凍結(jié)，降低整體KT/C噪聲大小。

技術(shù)研發(fā)人員：呂振濤,周莉,陳鳴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28