模数转换器的制作方法

1.本发明涉及电子电路技术领域，具体地，涉及模数转换器。


背景技术：

2.随着集成电路、计算机技术、医疗技术、无线传感网络等技术的快速发展，人们不断追求便携式、智能化的电子产品，如只能家居、健康医疗家用电子设备等。这其中模数转换器(adc)作为连接模拟信号世界和数字信号世界的纽带，扮演着至关重要的角色。传感器感知和采集现实世界中的各种模拟信号，利用模数转换器转换为数字信号可处理的数字信号，进而控制设备做出各种反应。
3.逐次逼近型模数转换器(sar adc)有着低功耗、高精度的优点，因此被广泛应用于无线传感网络和生物医疗等对功耗和精度有需求的领域。
4.参照图1，待转换信号vin根据电源电压vdd处理为正相输入电压vinp和负相输入电压vinn，并分别提供至模数转换系统的第一电轨和第二电轨，使模数转换系统根据该正相输入电压vinp和负相输入电压vinn对待转换信号进行采样，第一电轨和第二电轨还分别与第一电容阵列和第二电容阵列(两个电容阵列cdac结构对称)连接，通过第一电容阵列和第二电容阵列调节基准参考电压(包括第一参考电压vrefp和第二参考电压vrefn)的接入以分配电荷，实现正相输入电压vrefp和负相输入电压vrefn与目标参考电压vdac的减法处理，以在第一电轨和第二电轨上分别提供正相输出电压vop和负相输出电压von，并使vop-von＝vin-vdac，比较器120比较正相输出电压vop和负相输出电压von即可直接获得待转换信号vin与目标参考电压vdac的比较结果，实现模数转换。
5.其中，比较器120的输入共模电压等于正相输出电压vop与负相输出电压von之和的一半，正相输出电压vop与负相输出电压von之和与正相输入电压vinp和负相输入电压vinn之和相关，正相输入电压vinp和负相输入电压vinn之和等于电源电压vdd，而电源电压vdd实际会存在波动，使得比较器120的实际输入共模电压会随电源电压vdd而波动，工作可靠性容易受到电源干扰。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种模数转换器，从而降低模数转换器的抗干扰能力，提高模数转换器的转换精度和可靠性，提高系统工作效率。
7.根据本发明的一方面，一种模数转换器，包括：
8.电荷分配保持模块，用于采样待转换信号，并通过电荷分配将所述待转换信号与目标参考电压作减法处理，在第一电轨和第二电轨上分别输出正相输出电压和负相输出电压，所述正相输出电压与所述负相输出电压的差等于所述待转换信号与所述目标参考电压的差；
9.共模电压补偿模块，与所述第一电轨和所述第二电轨连接，用于注入共模电荷以补偿所述电荷分配保持模块的分配电荷，降低所述电荷分配保持模块的输出共模电压与期
望值的差距；
10.比较器，用于根据所述正相输出电压和所述负相输出电压的比较提供逻辑信号，所述逻辑信号对应模数转换的目标数字信号。
11.可选地，所述待转换信号根据电源电压处理为正相输入电压和负相输入电压，所述正相输入电压和所述负相输入电压的差等于所述待转换信号，所述正相输入电压和所述负相输入电压的和等于所述电源电压，所述电荷分配保持模块包括：
12.第一电容阵列和第二电容阵列，所述第一电容阵列和所述第二电容阵列的一端分别连接至所述第一电轨和所述第二电轨，另一端用于接入第一参考电压或第二参考电压，以根据接入的基准参考电压进行所述待转换信号与目标参考电压的减法处理，其中，
13.所述第一电轨和所述第二电轨的一端分别接收所述正相输入电压和所述负相输入电压的输入端，另一端分别提供所述正相输出电压和所述负相输出电压。
14.可选地，所述共模电压补偿模块包括：
15.第一补偿电容器和第二补偿电容器，所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的第一端分别连接至所述第一电轨和所述第二电轨，第二端共同通过第一开关和第二开关分别接收第一电压和第二电压，并在第一电压和第二电压中切换，其中，
16.在所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的第二端由所述第一电压切换为所述第二电压时，所述电荷分配保持模块的输出共模电压与期望值的差距减小，
17.所述电荷分配保持模块的输出共模电压等于所述正相输出电压和所述负相输出电压之和的一半。
18.可选地，所述第一开关和所述第二开关交错导通。
19.可选地，所述电荷分配保持模块的输出共模电压满足vcmout＝vcm0 e1，e1＝(vcmref－vcmin)
×
cdac
÷
(cdac cc) (v2－v1)
×
cc
÷
(cdac cc)，
20.其中，vcmout为所述电荷分配保持模块的输出共模电压，vcm0为所述电荷分配保持模块的输出共模电压的期望值，vcmref为所述电荷分配保持模块的参考共模电压，vcmin为所述电荷分配保持模块的输入共模电压，cdac为所述第一电容阵列或所述第二电容阵列的电容值，cc为所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的电容值，v1为所述第一电压，v2为所述第二电压，e1为电源误差，
21.所述电荷分配保持模块的输入共模电压为电源电压的一半，所述第二电压与所述第一电压的差根据所述电源电压获得，所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的电容值根据所述电源误差的有效范围、获得的所述第一电压和所述第二电压获得。
22.可选地，通过使得所述电源误差逼近零，从而使所述电荷分配保持模块的输出共模电压的范围处于所述比较器的输入共模电压的有效值范围内。
23.可选地，所述第二电压大于所述第一电压，所述第一电压和所述第二电压根据所述电源电压或其分压、所述基准参考电压或其分压中的任意一项获得。
24.可选地，所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的电容值根据所述第一电压和所述第二电压确认。
25.可选地，所述模数转换器的输出共模电压还满足vcmout＝vcm0 e1 e2，其中，e2为固定误差，所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的电容值还根据所述固定误差进行调节。
26.可选地，所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器通过单位电容器的串并联获得，所述单位电容器的电容值与所述第一电容阵列和所述第二电容阵列中的最小电容值一致。
27.可选地，所述第一补偿电容器和所述第二补偿电容器的电容值与所述第一电容阵列或所述第二电容阵列的电容值的一半一致。
28.可选地，还包括：
29.有源放大单元，用于提供所述第二电压和所述第一电压，所述第一电压和所述第二电压满足v2-v1＝vdd*cdac/(2*cc)，
30.其中，vdd为所述电源电压，所述第一电压和所述第二电压根据所述电源电压和所述第一补偿电容的电容值获得。
31.可选地，还包括：
32.逐次逼近控制逻辑模块，用于根据所述比较器提供的逻辑信号控制所述电荷分配保持模块的第一电容阵列和第二电容阵列的第一参考电压和第二参考电压的接入状态的切换，调节所述目标参考电压。
33.可选地，对所述电荷分配保持模块的分配电荷的补偿，在所述待转换信号与多个目标参考电压中的至少部分目标参考电压的比较中进行。
34.本发明提供的模数转换器包括电荷分配保持模块、共模电压补偿模块和比较器，电荷分配保持模块采样待转换信号，并与目标参考电压作减法处理，以提供正相输出电压和负相输出电压，比较器比较该正相输出电压和负相输出电压获得逻辑信号，该逻辑信号对应待转换信号与目标参考电压的比较结果，其中，共模电压补偿模块对电荷分配保持模块的分配电荷进行补偿，以将电荷分配保持模块的输出共模电压拉向期望值，进而降低比较器的实际输入共模电压与标准值的偏差，提高比较器的比较结果的可靠性，提高了模数转换器的转换精度和可靠性。
附图说明
35.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
36.图1示出了根据现有技术的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
37.图2示出了根据本发明实施例的模数转换器的结构示意图；
38.图3示出了根据本发明实施例的模数转换器的补偿控制示意图。
具体实施方式
39.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
40.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
41.图1示出了根据现有技术的模数转换器的结构示意图。
42.参照图1，该模数转换器100为电荷重新分配型模数转换器，包括电荷分配保持模块110、比较器120和逐次逼近控制逻辑模块130，电荷分配保持模块110接入正相输入电压vinp和负向输入电压vinn接入电荷，接入第一参考电压vrefp和第二参考电压vrefn控制分
配，控制输出的正相输出电压vop和负相输出电压von的电压，比较器120根据电荷分配保持模块110提供的正相输出电压vop和负相输出电压von进行比较提供逻辑信号dout。
43.vop-von＝vin-vdac，vdac为目标参考电压，目标参考电压通过电荷分配保持模块110调节，以通过待处理信号vin与不同的目标参考电压的比较确认待处理信号vin的电压。
44.第一参考电压vrefp和第二参考电压vrefn对应基准参考电压，正相输入电压vinp和负相输入电压vinn根据待转换信号vin与电源电压vdd处理获得，其中，vinp-vinn＝vin，vinp vinn＝vdd。
45.在本实施例中，电荷分配保持模块110包括第一电轨和第二电轨，第一电轨通过开关s1接入正相输入电压vinp，输出正相输出电压vop；第二电轨通过开关s2接入负相输入电压vinn，输出负相输出电压von。
46.两个电容阵列cdac结构对称，其一端分别连接至第一电轨和第二电轨，另一端通过开关阵列111控制每一个电容器接收第一参考电压vrefp或第二参考电压vrefn，在本实施例中，电容阵列cdac包括7个电容器(对应b0～b6)，其电容量由b0端至b6端依次按照2的幂次级增加，以b0对应的电容器的电容量为单位电容量c，其电容量依次为c、2c、4c、8c、16c、32c，对应八位二进制数的转换。
47.在获得一个逻辑信号dout后，逐次逼近控制逻辑看130根据逻辑信号dout的值调节开关阵列111，以调节目标参考电压vdac，使其更加逼近待处理信号vin，再次进行比较，重复数次后可确认待处理信号vin的值，并输出转换的数字值dn。
48.其中，电荷分配保持模块110的输出共模电压vcmout满足vcmout＝(vop von)/2，参考共模电压vcmref满足vcmref＝(vrefp vrefn)/2，输入共模电压vcmin满足vcmin＝(vinp vinn)/2，且vcmout＝vcm0 (vcmref-vcmin)，vinp vinn＝vdd，vdd为电源电压，而电源电压一般具有噪声干扰，使得实际的输出共模电压vcmout与期望值vcm0存在偏差，该偏差如果超出后级的比较器120的输入共模电压的动态兼容范围(比较器120的输入共模电压处于动态兼容范围内时，可保障比较结果的准确性)，会降低比较器120的工作可靠性，降低对正相输出电压vop和负相输出电压von的比较的准确性，降低提供的逻辑信号dout的可靠性，进而影响模数转换器100的转换精度，影响系统效能。
49.图2示出了根据本发明实施例的模数转换器的结构示意图。其中，本发明实施例的模数转换器200的基本结构与图1所示的现有技术的模数转换器100的基本结构一致，在此对其基本的具体结构不再赘述。
50.进一步参照图2，本发明实施例的模数转换器200在电荷分配保持模块110的输出电轨上设置共模电压补偿模块，以对电荷分配保持模块110的分配电荷进行补偿，降低实际的输出共模电压与期望值的偏差，提高系统精度。
51.在本实施例中，共模电压补偿模块包括两个补偿电容器cc，两个补偿电容器cc的一端分别连接至第一电轨和第二电轨，另一端共同通过第一开关p1和第二开关p2分别接收第一电压v1和第二电压v2。
52.其中，第一开关p1和第二开关p2互补导通，具体实现例如采用导通条件相同的开关管，并采用控制时序相反的两个控制信号进行控制，或限制导通条件相反的开关管，并采用同一控制信号进行控制。
53.可以理解，本技术的共模电压补偿模块还可以设计在比较器120中，与比较器120
的输入端耦接，可提高比较器120的有效工作对应的输入共模电压的动态兼容范围。
54.图3示出了根据本发明实施例的模数转换器的补偿控制示意图。其中，虚线对应补偿的输出共模电压。
55.进一步参照图3，本发明实施例的模数转换器200通过补偿控制时钟clkp控制第一开关p1和第二开关p2分时导通(或交错导通，整体实现由第一电压v1和第二电压v2之间的切换)，控制两个补偿电容器cc的另一端的接收电压在第一电压v1和第二电压v2中切换，在第二开关p2导通时，两个补偿电容器cc的另一端的接收电压由第一电压v1切换至第二电压v2，通过电荷补偿使输出共模电压vcmout调整至期望值vcm0，并保持在期望值vcm0，即在输出共模电压vcmout偏离期望值vcm0时，通过切换两个补偿电容器cc的另一端的接收电压，对第一电轨和第二电轨对应的电容阵列的电荷进行补偿，可将输出共模电压vcmout拉回期望值。
56.其中，第二电压v2大于第一电压v1，两个补偿电容器cc的另一端的接收电压由第一电压v1切换为第二电压v2，对应对输出共模电压vcmout的补偿，其切换补偿的时间有多种选择，实际可根据控制的便利性或系统需求的精度等进行考量，例如在模数转换器对待转换信号vin采样后全程进行切换补偿，或者在对二进制数的部分位的逼近比较时(模拟信号输入值vin与对应位的比较的需求的目标参考电压vdac值接近)进行补偿，或者在系统自身纠错能力不足时进行切换补偿，保障模数转换的准确性。即对电荷分配保持模块110的分配电荷的补偿，在待转换信号与多个目标参考电压中的至少部分目标参考电压的比较中进行，针对模数转换的部分位的数字值的转换操作进行补偿，提高容易出错的部分位的模数转换的准确性。
57.对于本发明实施例的模数转换器200，其输出共模电压满足：vcmout＝vcm0 e1，e1＝(vcmref－vcmin)
×
cdac
÷
(cdac cc) (v2－v1)
×
cc
÷
(cdac cc)，其中，vcmout为输出共模电压，vcm0为输出共模电压的期望值，vcmref为参考共模电压，vcmin为输入共模电压，cdac为两个电容阵列cdac的电容值(结构对称，两个电容阵列的电容值相等)，cc为两个补偿电容器cc的电容值，v1为第一电压，v2为第二电压，e1为电源误差。
58.本发明实施例的模数转换器200通过设计第一电压v1、第二电压v2和补偿电容器cc的选择，调控使电源误差e1为零或处于一定范围内，使电荷分配保持模块110的输出共模电压vcmout在误差允许范围内与期望值vcm0一致，使输出共模电压vcmout随电源波动的实际输出值的范围处于对应的比较器120的输入共模电压的有效值范围内，保障比较器120处理后提供的逻辑信号dout的精度。
59.在一可选实施例中，cc＝cdac/2，v2＝vdd，v1＝gnd，可使e1＝vcmref
×
2/3，而第一参考电压vrefp(例如为4.5v)和第二参考电压vrefn(例如为地gnd)为稳定的基准值，对应参考共模电压vcmref为稳定值，使最终的输出共模电压vcmout为稳定值，可简单消除电源电压vdd对输出共模电压vcmout的影响。其中，参考电压对应模数转换的量程，不同的选择对应的输出共模电压vcmout不同，对应比较器120的规格也适应性选择。
60.在一可选实施例中，还设置有源放大单元，用于提供第一电压v1和第二电压v2，使v2-v1＝vdd*cdac/(2*cc)。在一具体实施例中，v1＝gnd，v2＝(vdd-4.096v)*k，cc＝2c，通过运放电路、可编程增益放大器(pga)或者可变增益放大器(vga)实现k(例如为33.5)的增益放大需求(具体结构在此不作详述)，同样可消除电源误差e1中的电源电压vdd项，同时cc
＝2c，电容值小，对应第一补偿电容器和第二补偿电容器的面积小，可降低共模电压补偿模块的面积占用，cc越小，增益放大需求越大，实际根据具体情况进行选择，在此不作详述。
61.在一具体实施例中，vcmref＝2.25v，vcmin＝2.5v，cdac＝134c，v2＝5v＝vdd，v1＝0v，令vcmout＝vcm0,推导出cc≈6.7c，可使电源误差e1为零，这里，c为单位电容量，再根据其它干扰因素带来的固定误差e2的估计值，对应vcmref＝vcm0 e1 e2，进一步推导调节c，获得cc＝6.85c，可有效将本实施例中的八位二进制的模数转换器200的电荷分配保持模块110的输出共模电压补偿至预期值。
62.其中，根据后端的比较器120对其输入的共模电压的动态兼容范围，e1(或e1 e2)的补偿目标为范围值，例如比较器120在其输入的共模电压在
±
100mv的动态兼容范围(整体范围为0.9v
±
100mv，0.9v为比较器120的输入共模电压的标准值，对应vcm0＝0.9v)内能能够保障输出准确性，则可控制e1根据参考电压和电源电压的浮动的可能值，调整v1、v2和cc的值，使e1的范围在
±
100mv范围内即可(即电源误差的范围处于比较器120的输入共模电压的动态兼容范围内)，以上述一具体实施例为例，cc的电容值还可设计为7c或5c，最终补偿后的输出共模电压vcmout在
±
100mv误差范围内大于预期值vcm0或小于预期值vcm0，均可保障比较器120的比较准确性，保障模数转化器200的模数转换的可靠性。
63.其中，补偿电容器cc根据单位电容器串并联获得，补偿电容器cc的电容值设计为单位电容器的倍数。
64.在本发明提供的模数转换器包括电荷分配保持模块、共模电压补偿模块和比较器，电荷分配保持模块的第一电轨和第二电轨分别连接第一电容阵列和第二电容阵列，待转换信号采样至第一电容阵列和第二电容阵列一个极板，然后通过第一电容阵列和第二电容阵列的另一极板接入基准参考电压，分配电荷，作减法处理，提供正相输出电压和负相输出电压，比较器根据正相输出电压和负相输出电压的比较提供逻辑信号，该逻辑信号对应待转换信号与目标参考电压的大小，实现模数转换，共模电压补偿模块补偿电荷分配保持模块的分配电荷，可降低电荷分配保持模块的输出共模电压与期望值的差，对应降低比较器的实际输入共模电压与标准值的差，提高比较器的比较结果的可靠性。
65.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。