基于Dummy比较器的模数转换装置、方法、设备及介质

本技术涉及集成电路，特别涉及一种基于dummy比较器的模数转换装置、方法、设备及介质。

背景技术：

1、sar adc(successive approximation registeranalog to digital converter，逐次逼近型模数转换器)的结构框图如图1所示，sar adc的工作原理是首先通过开关sw1将输入信号采样到adc的采样电容cs上，然后比较器对输入信号和dac的输出进行比较，saradc的控制逻辑会根据比较结果不断调整dac的输出，使得dac的输出逐渐逼近输入电压。理想情况下，当逐次逼近比较进行到最后，比较器的差分输入电压就为0，但实际上，受限于dac的有限精度以及电路噪声的影响，当逐次逼近进行到最后，比较器的输入端会残留一个残差电压vres。

2、因此，可得到下式：

3、dout＝vin+vres＝vin+vq1+vn1  (1)

4、其中，dout为sar adc的转换结果，vin表示sar adc的输入信号，vres为sar adc转换完成以后残留的残差电压，该残差电压主要由vq1及vn1两部分组成，分别代表量化噪声以及电路噪声的影响。如果可以对sar adc转换后剩余的残差电压进行估计，并从最终的输出中减去，则可得下式：

5、

6、其中，为残差电压的一个估计值，将其从原先的输出dout中减去，得到新的输出如果为对残差电压vres的准确估计，则理论上可得下式：

7、

8、此时，得到的输出即可精确的等于输入，可以抑制量化噪声以及电路噪声的影响，提高adc的转换精度。因此问题就转换为如何对sar adc转换完成以后剩余的残差电压进行一个准确的估计。

9、最大似然估计法是一种常见的对残差电压进行估计的方法。在对残差电压进行最大似然估计的过程中，可利用比较器的噪声特性。首先假设比较器的噪声分布服从均值为0，标准差为σnoise的高斯分布，那么比较器输出为1的概率随输入的关系可以用如下所示的关系表示：

10、

11、其中，p表示比较器输出为1的概率，vin表示比较器的输入电压，σnoise表示比较器噪声的标准差，erf为高斯误差函数，如下式所示：

12、

13、比较器输出为1的概率和比较器的输入之间存在一个一对一映射的关系，如果已知该映射关系及其中一个参数，则可反推另一个参数，因此，由式(4)反推出比较器的输入与比较器输出为1的概率之间的关系如下：

14、

15、

16、为了估计残差电压，需得到比较器针对当前输入残差下输出为1的概率，要控制比较器对当前输入进行m次比较，其中第i次的比较结果记为d[i]，每次比较得到的比较结果d[i]可能是1或者0(分别代表当前的输入大于0或者小于0)，对m次比较结果取平均，可得到比较器在当前输入下输出为1的概率，再代入式(6)，即可实现对输入残差电压的估值，利用最大似然估计对sar adc的转换残差进行估计的结构框图如图2所示。

17、与传统的sar adc设计相比，现有技术还可引入一个计数器及一个查找表，计数器用来统计对残差电压进行多次比较的比较结果。在实际操作过程中，无需将统计的比较结果代入式(6)中进行复杂的数学运算，采用最大似然估计对sar adc的转换残差进行估计，可以有效提高adc的转换精度，但是该方案仍然存在一些问题。

18、由式(6)可知，采用最大似然估计对残差电压进行估计的关键，即对比较器噪声分布的标准差进行精确的估计，如果估计的标准差与实际比较器的噪声分布的标准差σnoise之间产生较大的偏差，则使得通过最大似然估计得到的残差电压的值与实际的残差电压ves之间有较大的误差，从而限制了该方法对sar adc转换精度的改善效果。

19、为了得到比较器实际噪声分布的标准差，现有技术通常有以下两种做法。其一可通过仿真对比较器的噪声分布进行估计，但是仿真得到的噪声分布和实际比较器的噪声分布仍然存在一定的误差，尤其是不同工艺角下仿真得到的比较器的噪声分布相差很大，此时难以选择采用何种工艺角下的噪声分布，以估计残差电压。其二通过测量adc在0输入下的码元分布，通过该分布对比较器的噪声分布进行大致的估计，但该估计方法得到的比较器的噪声分布同样会和实际比较器的噪声分布之间产生一定的误差。

20、由于比较器的噪声分布和温度有很强的相关性，当温度发生改变时，比较器的噪声分布发生改变，此时如果不对得到的比较器的噪声分布进行修正，同样会降低这种方法对转换精度的改善效果。

21、除此之外，现有技术的又一个问题在于，假设比较器的噪声分布为高斯分布，但是实际比较器的噪声中除了白噪声之外还会存在flicker噪声以及来自电源和衬底的噪声等。

22、综上所述，现有技术难以获得精确的比较器的噪声分布，此外，比较器的噪声分布会随环境发生变化，且难以精确服从均值为0的高斯分布，使得对残差进行估计的过程中会产生较大的偏差，极大限制了adc信噪比的进一步提升，亟待解决。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于dummy比较器的模数转换装置、方法、设备及介质，以解决现有技术中比较器的噪声分布随环境发生变化，难以获取精确的比较器噪声分布，使得残差估计的偏差较大，极大限制了adc信噪比的改善等问题。

2、本技术第一方面实施例提供一种基于dummy比较器的模数转换装置，包括：辅助转换器，用于提供目标输入电压；dummy比较器，用于对所述目标输入电压进行比较分析操作，得到所述目标输入电压对应的目标电平概率值；控制器，用于对初始模拟信号进行模数转换，得到所述初始模拟信号对应的初始转换结果和转换残差，且根据预先构建的电压-概率查找表和所述转换残差修正所述初始转换结果，以生成最终的转换结果。

3、可选地，在本技术的一个实施例中，还包括：开关阵列，用于控制所述辅助转换器与所述控制器的连通状态。

4、可选地，在本技术的一个实施例中，所述控制器包括：建表单元，用于迭代更新所述目标输入电压，得到每次迭代更新后的新的目标输入电压，并根据所述新的目标输入电压和所述新的目标输入电压对应的新的目标电平概率值更新所述电压-概率查找表；模数转换器，用于对所述初始模拟信号进行模数转换，获取所述初始转换结果和所述转换残差，并基于所述转换残差和所述电压-概率查找表，生成转换残差估计值，以利用所述转换残差估计值修正所述初始数信号得到所述最终的转换结果。

5、可选地，在本技术的一个实施例中，所述模数转换器包括：比较器，用于对所述转换残差进行预设次数的比较分析操作，得到所述转换残差对应的分析结果，以基于所述分析结果，查找所述电压-概率查找表获取所述转换残差估计值。

6、本技术第二方面实施例提供一种基于dummy比较器的模数转换方法，包括以下步骤：确定目标输入电压，并对所述目标输入电压进行比较分析操作，得到所述目标输入电压对应的目标电平概率值；对初始模拟信号进行模数转换，得到所述初始模拟信号对应的初始转换结果和转换残差，且根据预先构建的电压-概率查找表和所述转换残差修正所述初始转换结果，以生成最终的转换结果。

7、可选地，在本技术的一个实施例中，在根据预先构建的所述电压-概率查找表和所述转换残差修正所述初始转换结果之前，还包括：迭代更新所述目标输入电压，得到每次迭代更新后的新的目标输入电压，并根据所述新的目标输入电压和所述新的目标输入电压对应的新的目标电平概率值更新所述电压-概率查找表。

8、可选地，在本技术的一个实施例中，所述对初始模拟信号进行模数转换，得到所述初始模拟信号对应的初始转换结果和转换残差，且根据预先构建的电压-概率查找表和所述转换残差修正所述初始转换结果，以生成最终的转换结果，包括：对所述初始模拟信号进行模数转换，获取所述初始转换结果和所述转换残差，并基于所述转换残差和所述电压-概率查找表，生成转换残差估计值，以利用所述转换残差估计值修正所述初始数信号得到所述最终的转换结果。

9、可选地，在本技术的一个实施例中，所述基于所述转换残差和所述电压-概率查找表，生成转换残差估计值，包括：对所述转换残差进行预设次数的比较分析操作，得到所述转换残差对应的分析结果，以基于所述分析结果，查找所述电压-概率查找表获取所述转换残差估计值。

10、本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的基于dummy比较器的模数转换方法。

11、本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的基于dummy比较器的模数转换方法。

12、由此，本技术的实施例具有以下有益效果：

13、本技术的实施例可通过包括辅助转换器，用于提供目标输入电压；dummy比较器，用于对目标输入电压进行比较分析操作，得到目标输入电压对应的目标电平概率值；控制器，用于对初始模拟信号进行模数转换，得到初始模拟信号对应的初始转换结果和转换残差，且根据预先构建的电压-概率查找表和转换残差修正初始转换结果，以生成最终的转换结果。本技术通过提取比较器的噪声特性对sar adc的转换残差进行估计，从而提高了saradc的转换精度，有效抑制了比较器的噪声。由此，解决了现有技术中比较器的噪声分布随环境发生变化，难以获取精确的比较器噪声分布，使得残差估计的偏差较大，极大限制了adc信噪比的改善等问题。

14、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。