一種低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于超低功耗場景，涉及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在物聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展的背景下，社會生活領(lǐng)域中各種物件都將逐漸接入網(wǎng)絡(luò)，成為網(wǎng)絡(luò)的一部分。如此，每個物件都需要可被感知以及可通訊，相應(yīng)的感知-通訊終端將迎來數(shù)以億兆計的數(shù)量爆炸。
[0003]在如此龐大的數(shù)量面前，每個終端的功耗控制至關(guān)重要，過大的功耗將導(dǎo)致終端配備較大的電池影響其應(yīng)用場景或者縮短其續(xù)航能力使得其需要頻繁電池從而增加成本。比如人體內(nèi)部的人工心臟起搏器的功耗如果可以降低，病人去開刀更換電源的痛苦的頻率即可降低。總而言之，功耗的大小乘以龐大的數(shù)量，對整個人類社會的能源消耗也將造成影響，一分一毫的功耗降低，整體的收益也是非?？捎^的。
[0004]在這樣的終端里，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是不可或缺和至關(guān)重要的，因為世界本身是連續(xù)變化的，即模擬的，而計算機網(wǎng)絡(luò)世界都是數(shù)字化的，連接這兩者的橋梁就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗，對于這類終端的應(yīng)用和成本，是有極大益處的。
[0005]在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)界，低功耗的ADC —般采用逐次逼近型SAR ADC，原因是首先在低功耗的應(yīng)用場景中，一般來說，對于ADC的采樣速度要求不高，一般在KHz到若干MHz，而精度確可能有一定要求，一般在8-12bit。這樣的指標(biāo)要求對于逐次逼近型SAR ADC是比較適合的。
[0006]逐次逼近型SAR ADC的工作過程大致可以如圖1所示。為了簡便起見，這里的ADC的精度是4bit，這時最小的輸入信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的數(shù)字碼是0，最大的信號對應(yīng)的是16?，F(xiàn)在假設(shè)輸入信號是11.5，ADC開始轉(zhuǎn)換，首先輸入信號與8進行比較，由于其大于8，ADC得到最高位MSB為‘ I’，第二次ADC在8的基礎(chǔ)上加上4得到12，這次輸入較小，ADC得到次高位‘0’，第三次ADC在12的基礎(chǔ)上減2得到10，這次輸入較大，ADC得到‘1’，最后一次ADC在10的基礎(chǔ)上加I得到11，于是ADC得到最低位LSB為‘I’。至此ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到的數(shù)字編碼是‘1011’。綜上所述，逐次逼近型SAR ADC的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為:
I從最高位MSB到最低位LSB逐步確定每一位的bit。
[0007]2第一次比較總是與滿量程的中間值比較。
[0008]3每次調(diào)整的步長比上次減半。
[0009]4調(diào)整的步長是增還是減由上一次的bit是‘I’還是‘0’確定。
[0010]圖2是逐次逼近型SAR ADC簡化的電路實現(xiàn)示意圖。每個電容的上端可以選擇接輸入信號或者參考電壓，參考電壓有兩種，Vr+和Vr-ji Vr+可以實現(xiàn)調(diào)整步長是加，接Vr-實現(xiàn)減。電容陣列C8的容值是C4的2倍，C4是C2的2倍，C2是Cl的2倍，最后Cl與CO相等。
[0011]剛才敘述的算法過程在上圖可以具體表示為，首先電容上端接輸入信號，所有電容下端接O，然后開關(guān)斷開，完成信號采樣。然后CS上端接Vr+，其次接Vr-，比較器進行第一次比較，第一次的比較結(jié)果就是整個數(shù)字輸出碼的最高位MSB。由于比較結(jié)果為‘1’，則控制邏輯控制C4由原來的接Vr-改成接Vr+，實現(xiàn)算法中步長增加4的功能。C4接法改變后，進行第二次比較，得到‘0’，下一次C4改回接Vr-，C2改成接Vr+，實現(xiàn)步長減2，再次比較得到‘I’，最后Cl變?yōu)榻覸r+再次比較，得到最低位LSB ‘1’，比較結(jié)束。
[0012]然而在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的逐次逼近型SAR ADC存在功耗浪費的情況。原因是在大部分應(yīng)用中，雖然需要比較高精度的獲取信號，但是輸入信號本身是緩變的，比如環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度等等，它們的變化率都在秒的級別。也就是說，逐次逼近型SARADC的輸入信號前一次的值與下一次的值相差不多，即兩次輸入的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果在高位上可能都是完全一樣的，僅僅在最后幾位上才有差別。
[0013]而傳統(tǒng)逐次逼近型SAR ADC總是從一個固定的起始值開始逼近，每次比較完全相同的最高位都需要重新確定一遍，這些比較過程就浪費了功耗。另外值得注意的是，在逐次逼近型SAR ADC的轉(zhuǎn)換過程中，最高位的判斷是最耗費功耗的，每降低一位，所耗費的功耗就會減半。因此，如果可以省去高位的比較過程，ADC的功耗就能顯著降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，對現(xiàn)有的逐次逼近型SARADC進行改進，提出一種帶有自適應(yīng)特性的逼近算法低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0015]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括由并聯(lián)電容組成的電容陣列、比較器和控制邏輯模塊，還包括起始值抽取邏輯模塊，所述低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端經(jīng)過電容陣列連接至比較器的一個輸入端，比較器的另一個輸入端接地，比較器的輸出端接入控制邏輯模塊，所述控制邏輯模塊還與起始值抽取邏輯模塊相連接；
所述起始值抽取邏輯模塊將低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最近η次數(shù)字輸出碼進行記錄，并識別出所述數(shù)字輸出碼相同的最高位，在下一次比較的初始值中，從相同的最高位之后的bit開始進行比較。
[0016]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述最近η次數(shù)字輸出碼中，次數(shù)η可以自行配置，或者，根據(jù)具體的應(yīng)用實現(xiàn)固化。
[0017]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述比較的初始值中，相同的最高位之外的低位，可以全取值1，或者全取值0，或者取值任意I和O的組合。
[0018]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，當(dāng)輸入信號的最高位發(fā)生變化時，對比較過程先做出預(yù)判，具體包括:
(1)設(shè)定初始值的高三位為ABC，以ABC為最高位，其余低位設(shè)置為I進行第一次比較；
(2)若第一次比較結(jié)果為0，則表示輸入信號高于當(dāng)前猜測值，進而采用傳統(tǒng)逐次逼近型比較，重新從最高位MSB開始比較；
(3)若第一次比較結(jié)果為1，則以ABC為最高位，其余低位設(shè)置為O進行第二次比較；
(4)若第二次比較結(jié)果為1，則表示輸入信號低于當(dāng)前猜測值，進而采用傳統(tǒng)逐次逼近型比較，重新從最高位MSB開始比較；
(5)若第二次比較結(jié)果為0，則將輸入信號繼續(xù)進行低位的比較直到所有轉(zhuǎn)換結(jié)束。
[0019]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明利用物聯(lián)用領(lǐng)域應(yīng)用場景的信號緩變特征，增加了最近若干次數(shù)字碼共同最高位的抽取邏輯，改進了傳統(tǒng)的逐次逼近型SAR ADC的控制邏輯，形成非固定初始值的比較控制邏輯，可以減少ADC對最高位的比較次數(shù)，從而有效減少ADC轉(zhuǎn)換所耗費