模数转换器中电容翻转方法及逐次逼近型模数转换器与流程

本公开涉及模数转换器，尤其涉及一种模数转换器中电容翻转方法及逐次逼近型模数转换器。

背景技术：

1、逐次逼近型模数转换器(sar adc)因其结构简单、功耗低、工艺友好的特点应用广泛，如图1所示单通道sar adc基本电路结构主要包含采样保持电路(s/h)、模数转换器dac、比较器、逐次逼近逻辑电路(sar logic)等部分。其中，采样保持电路对输入的模拟信号vin进行采样与保持，由比较器对采样保持电路所保持的vin与dac产生的电压信号vdac进行比较，比较结果由sar logic进行数字逻辑锁存并控制dac翻转产生新的电压信号，并与vin再次比较，sar logic一般采用二分查找算法基于比较器的比较结果控制dac产生的电压信号，如图2示出sar adc基本工作原理，vref为外部提供给dac的参考电压，sar logic第一次控制dac输出的电压信号vdac是vref/2，第二次为vref/2±vref/4，第三次是vref/2±vref/4±vref/8，第四次是vref/2±vref/4±vref/8±vref/16，依次进行n位比较，在此过程中dac建立的电压信号vdac逐渐逼近vin，或者说逐位判断vin是小于vdac还是大于vdac，如果第n次的vin＞vdac，则比较器输出逻辑高电平或“l”，sar logic的第n位为1。反之，vin＜vdac，比较器输入逻辑低电平或“0”，sar logic的第n位为0，以此类推，直至比较到最低有效位。上述操作结束后，也就完成了模拟信号vin到数字信号dout的转换，转换结果可以锁存在sar logic内。

2、其中，dac目前普遍使用电容型dac，它能比电阻型dac提供更好的匹配性，如图3所示，一种基于电容型dac的sar adc的结构示意图，电容型dac主要包括二进制电容阵列(cn、cn-1、cn-2、…、c2、c1a)以及其它寄生电容(c1b、cp)，二进制电容阵列中各个电容通过开关连接参考电压vref(也即置1)或接地(也即置0)，sar logic控制各个电容所对应的开关进行切换，来控制二进制电容阵列中各个电容接参考电压还是接地，也即实现控制二进制电容阵列进行电容翻转，从而可以输出不同的电压信号至比较器。

3、对于传统的sar adc结构以4bit为例子，需要进行4次比较，电容型dac中各个电容的权重为8-4-2-1，权重相当于电容值，用于基于比较结果计算出数字信号，正常情况下若比较器每次比较均正确，则sar logic最后输出数字信号与输入模数信号应相差在1lsb(least significant bit，最低有效位)以内，例如，设电容型dac中各个电容的权重为8-4-2-1，若vin＝4.2，如图4(a)所示，4次比较结果均正确，则输出dout＝0×8+1×4+0×2+0×1＝4则转换结果正确。而实际工作中，由于电容型dac建立不充分或者比较器精度等原因，在比较器两端输入信号的电压接近时可能出现错误的比较结果，即使后面的转换都正确，最后输出与输入偏差也会大于1lsb，如图4(b)所示，第2次比较错误(也即出现错误的比较结果)，导致输出错误的转换结果dout＝0×8+0×4+1×2+1×1＝3。

4、在实际应用中为了保证模数转换的正确性，会给电容型dac中的二进制电容阵列加入额外的电容作为冗余位，来消除因为部分转换错误对最终输出的影响。如若电容型dac原始权重8-4-2-1，可以变为7-4-2-1-1，如图5(a)所示，5次比较结果均正确，则输出dout＝0×7+1×4+0×2+0×1+0×1＝4则代表转换结果正确，和图5(b)所示，第二位比较错误，则输出dout＝0×7+0×4+1×2+1×1+1×1＝4，由此可见，即使第二位比较错误，只要后面各位比较均正确，最后输出的转换结果也是正确的。加入冗余是以增加一次量化周期为代价来换取精度，上例是将8拆分为7和1，总电容不变，也可以将电容型dac权重改为8-4-2-2-1等，也即插入一位，这样可以增加模数转换器的有效位数。因高位电容对adc的性能影响更大，保证高位电容有足够的冗余对adc性能很重要。

5、现有技术中通常采用移位猜一方式来控制二进制电容阵列进行电容翻转，移位猜一方式的主要逻辑可以简述为：二进制电容阵列中各个电容初始置0，当次比较到任意位电容时，将该位电容翻转为置vref，然后根据比较器输出的比较结果，对该位电容翻转为接0或保持为vref，例如，针对若比较器输出比较结果为1，该位电容由vref翻转为接0，若比较器输出比较结果为0，保持接vref，并将下一位电容翻转为置vref，进行下一次比较，以此类推，直至比较到最小有效位。然而，当二进制电容阵列中插入冗余位电容后，上述传统的移位猜一逻辑只能保证向0翻转的冗余，也即加入冗余位电容会使得低位电容向vref翻转的个数变多，但是向0翻转的电容个数不会增加，因此高位电容向vref翻转的容错量较低，使得向vref翻转错误(即当位电容因误判向vref翻转)很难被后面补救，很小的建立误差就会使得最终结果不收敛，降低了模数转换器的模数转换精度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提出了一种模数转换器中电容翻转方法及逐次逼近型模数转换器，能够提高向参考电压翻错后的容错量，有利于提高模数转换器的模数转换精度。

2、根据本公开的一方面，提供了一种模数转换器中电容翻转方法，所述模数转换器包括：二进制电容阵列以及比较器，所述二进制电容阵列包括n位常规电容以及至少一个位于常规电容之间的冗余位电容，冗余位电容的电容值大于或等于位于冗余位电容之后各位电容的电容值之和，所述二进制电容阵列用于根据参考电压向所述比较器输出电压信号，所述比较器用于将输入的模拟信号与所述二进制电容阵列输出的电压信号进行比较，得到比较结果，所述比较结果用于确定所述模拟信号对应的数字信号以及控制所述二进制电容阵列进行电容翻转，以输出不同的电压信号；所述方法包括：在所述比较器启动逐次比较之前，将所述n位常规电容中的最高位常规电容的第一端初始接参考电压，将所述n位常规电容中除所述最高位常规电容以外的其余常规电容的第一端初始接0，以及将所述冗余位电容的第一端初始接参考电压；所述n位常规电容的第二端与所述冗余位电容的第二端连接所述比较器；在所述比较器进行逐次比较期间，控制所述二进制电容阵列进行电容翻转，其中，在所述比较器的第i次比较对应的是常规电容且所述比较器进行第i次比较之前，将所述第i次比较对应的常规电容的第一端翻转为接所述参考电压；以及，在所述比较器完成所述第i次比较且在所述第i次比较对应的常规电容之后一位电容是冗余位电容的情况下，根据所述第i次比较的比较结果，将所述第i次比较对应的常规电容的第一端翻转为接0或保持接所述参考电压，并保持位于所述第i次比较对应的常规电容之后一位冗余位电容的第一端接所述参考电压，i∈[1,i]，i＝n+m，m为冗余位电容的数量。

3、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在所述比较器的第i次比较对应的是冗余位电容且所述比较器完成所述第i次比较的情况下，根据所述第i次比较的比较结果，将所述第i次比较对应的冗余位电容的第一端翻转为接0或保持接所述参考电压，并将位于所述第i次比较对应的冗余位电容之后一位常规电容的第一端翻转为接所述参考电压。

4、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在所述比较器完成所述第i次比较且在所述第i次比较对应的常规电容之后一位电容是常规电容的情况下，根据所述第i次比较的比较结果，将所述第i次比较对应的常规电容的第一端翻转为接0或保持接所述参考电压，并将位于所述第i次比较对应的常规电容之后一位常规电容的第一端翻转为接所述参考电压。

5、在一种可能的实现方式中，在所述第i次比较的比较结果指示第i次比较的电压信号大于所述模拟信号的情况下，所述第i次比较对应的电容的第一端保持接所述参考电压；或者，在所述第i次比较的比较结果指示第i次比较的电压信号小于所述模拟信号的情况下，所述第i次比较对应的电容的第一端翻转为接0；其中，第i次比较对应的电容包括常规电容或冗余位电容。

6、在一种可能的实现方式中，所述冗余位电容包括第一分裂电容和第二分裂电容，其中，所述方法还包括：在所述比较器启动逐次比较之前，将所述冗余位电容中的第一分裂电容的第一端初始接所述参考电压，以及将所述冗余位电容中的第二分裂电容的第一端初始接0；在所述比较器进行逐次比较期间，在所述比较器完成所述第i次比较且在所述第i次比较对应的常规电容之后一位电容是所述冗余位电容的情况下，根据所述第i次比较的比较结果，将所述第i次比较对应的常规电容的第一端翻转为接0或保持接所述参考电压，并保持位于所述第i次比较对应的常规电容之后一位冗余位电容中两个分裂电容的第一端的初始连接状态不变，并将位于所述冗余位电容中两个分裂电容之后一位常规电容的第一端翻转为接所述参考电压。

7、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在所述比较器的第i次比较对应的是冗余位电容且所述比较器完成所述第i次比较的情况下，根据所述第i次比较的比较结果，将所述第i次比较对应的冗余位电容中的第一分裂电容的第一端翻转为接0，或，将所述第i次比较对应的冗余位电容中的第二分裂电容的第一端翻转为接所述参考电压；并保持位于所述冗余位电容之后一位常规电容的第一端接所述参考电压。

8、在一种可能的实现方式中，所述根据所述第i次比较的比较结果，将所述第i次比较对应的冗余位电容中的第一分裂电容的第一端翻转为接0，或，将所述第i次比较对应的冗余位电容中的第二分裂电容的第一端翻转为接所述参考电压，包括：在所述第i次比较的比较结果指示所述第i次比较的电压信号小于所述模拟信号的情况下，将所述第i次比较对应的冗余位电容中的第一分裂电容的第一端翻转为接0；或，在所述第i次比较的比较结果指示所述第i次比较的电压信号大于所述模拟信号的情况下，将所述第i次比较对应的冗余位电容中的第二分裂电容的第一端翻转为接所述参考电压。

9、在一种可能的实现方式中，所述方法通过带置位功能的d触发器将所述二进制电容阵列中任意电容翻转为接所述参考电压。

10、根据本公开的另一方面，提供了一种逐次逼近型模数转换器，包括：采样保持电路，用于对输入的模拟信号进行采样和保持，并输出采样信号至比较器；二进制电容阵列，所述二进制电容阵列包括n位常规电容以及至少一个位于常规电容之间的冗余位电容，冗余位电容的电容值大于或等于位于冗余位电容之后各位电容的电容值之和，所述二进制电容阵列用于在逐次逼近逻辑电路的控制下，根据参考电压，向所述比较器输出电压信号；所述比较器，用于将所述采样保持电路输出的采样信号与所述二进制电容阵列输出的电压信号进行比较，得到比较结果并输入至所述逐次逼近逻辑电路；所述逐次逼近逻辑电路，用于执行所述的电容翻转方法，以实现根据所述比较器输出的比较结果，控制所述二进制电容阵列进行电容翻转，以输出不同的电压信号；以及，根据所述比较器输出的比较结果，确定所述模拟信号对应的数字信号。

11、在一种可能的实现方式中，所述逐次逼近逻辑电路中包括：带置位功能的d触发器，用于将所述二进制电容阵列中任意电容翻转为接所述参考电压。

12、根据本公开的各方面，通过将二进制电容阵列中的冗余位电容初始接参考电压，这样在冗余位电容的前一位常规电容确定出比较结果后，冗余位电容没有从0翻转到接参考电压的翻转操作，只有前一位常规电容有由参考电压翻转为接0或保持接参考电压的操作，这样可以将二进制电容阵列中低位段向0翻转的电容增多，将高位段向参考电压翻转的电容减少，从而可以提高向参考电压翻错后的容错量，也即使得二进制电容阵列向参考电压翻错后具有一定的纠错能力，有利于提高模数转换器的转换精度。

13、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。