模数转换器及电子设备的制作方法

1.本发明涉及电子通信技术领域，特别涉及一种模数转换器及电子设备。


背景技术：

2.在混合信号系统中，模数转换器是一个十分关键的部分，其性能较大程度上制约着电子系统的整体性能。随着数字信号处理技术在高分辨率图像，视频处理以及无线通信等领域的广泛应用，对高速、高精度模数转换器的需求日益迫切。在诸多模数转换器结构中，sar(逐次逼近寄存器) 模数转换器由于其高度数字化的结构，使得它在先进工艺下的性能越发出色，成为当前模数转换领域内的热门。
3.设计高速模数转换器时，adc架构总电容值要尽量小，以减小其面积开销，同时，在sar 模数转换器结构中，限制模数转换器的最关键指标之一是线性度；目前，缺少一种能在不增加/少增加占用面积的前提下，提高线性度的模数转换器。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种模数转换器，旨在提高模数转换器的线性度。
5.为实现上述目的，本发明提出一种模数转换器，该模数转换器包括：比较器，其包括同相输入端、反相输入端以及输出端；n对电容器，每对所述电容器包含容值相等的第一电容器和第二电容器，n对所述电容器中的第一电容器与所述比较器的同相输入端连接，所述第二电容器与所述比较器的反相输入端连接；控制模块，其输入端与所述比较器的输出端连接，所述控制模块的输出端分别与每一对电容器的所述第一电容器和所述第二电容器连接，所述控制模块被配置为：输出第一参考电压组至每一对所述电容器，获取所述比较器的第一次比较结果；在第一次比较结果为低电平时，输出第二参考电压组至第一对电容器，并在后续的比较中，当第m次比较结果为低电平时，输出第二参考电压组至第m对电容器；在第m次比较结果为高电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第二参考电压组至第m对电容器；在第一次比较结果为高电平时，输出第三参考电压组至第一对电容器，并在后续的比较中，当第m次比较结果为高电平时，输出第三参考电压组至第m对电容器；当第m次比较结果为低电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第三参考电压组至第m对电容器；其中，m小于n；输出第一参考电压组为输出第一参考电压至所述第一电容器和所述第二电容器；输出第二参考电压组为输出第二参考电压至所述第一电容器，并输出第三参考电压至所述第二电容器；输出第三参考电压组为输出第三参考电压至所述第一电容器并输出第二参考电压至所述第二电容器；
所述第二参考电压的电压值大于第一参考电压的电压值，所述第一参考电压的电压值大于第三参考电压的电压值。
6.在一实施例中，所述控制模块被配置为：在进行第n次比较后，保持每一对所述电容器接入的参考电压组。
7.在一实施例中，按照电容值大小，将n对电容器记为第一对电容器至第n对电容器；第n对所述电容器对至第一对所述电容器的电容值依次为c、c、2c、
……
、2
n-3
c、2
n-2
c；其中，c为单位电容值。
8.在一实施例中，第l对所述电容器包括n-l对子电容器，n-l对所述子电容器的电容值与第l 1至第n对所述电容器的电容值一一对应相等；所述控制模块被配置为：在进行第一轮比较后，输出第一参考电压组至每一对所述电容器，利用第l对所述电容器的n-l对所述子电容器替代所述第l 1至第n对所述电容器，将第l 1至第n对所述电容器并联后，替代第l对所述电容器，继续进行新一轮比较，并将两轮比较的比较结果取均值作为最终比较结果；l大于等于1，且l小于等于n。
9.在一实施例中，所述l大于等于1，且l小于等于3。
10.在一实施例中，所述第一参考电压的电压值等于所述第二参考电压的电压值和所述第三参考电压的电压值的均值。
11.在一实施例中，所述控制模块包括：电源模块，其用于产生所述第一参考电压、所述第二参考电压以及所述第三参考电压；开关阵列，其输入端与所述电源模块连接，所述开关阵列的输出端分别与n对所述电容器一一连接；逻辑控制模块，与所述开关阵列的受控端连接，所述逻辑控制模块用于控制开关阵列，以实现输出所述第一参考电压组、所述第二参考电压组以及所述第三参考电压组至n对所述电容器。
12.在一实施例中，所述模数转换器还包括：采样开关电路，其输入端用于接入采样信号，所述采样开关电路的输出端与所述比较器连接，所述采样开关电路的受控端与所述控制模块连接。
13.本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括上述的模数转换器。
14.本发明技术方案通过电荷重新分配原理实现逐次逼近算法，实现模数转换。通过设置控制模块针对小于0的采样信号，在第m次比较结果为低电平时，输出第二参考电压组至第m对电容器；在第m次比较结果为高电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第二参考电压组至第m对电容器；针对大于0的采样信号，在第m次比较结果为高电平时，输出第三参考电压组至第m对电容器；在第m次比较结果为低电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第三参考电压组至第m对电容器；本发明可以控制每一对电容器的第一电容和第二电容的参考电压的变化均为：从第一参考电压（第二参考电压和第三参考电压的中间电压）跳变至第二参考电压（或者第三参考电压），或者第二参考电压跳（或者第三参考电压）跳变至第一参考电压，相比较现有技术在第二参考电压和第三参考电压
之间跳变的方案，电压变化幅度缩小一半，线性度提升一倍。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1为本发明模数转换器一实施例的电路图；图2为本发明模数转换器一实施例的电容器参考电压变化图；图3为本发明模数转换器另一实施例的电路图；图4为本发明模数转换器另一实施例的电容器参考电压变化图。
17.附图标号说明：标号名称标号名称11第一对电容器30比较器12第二对电容器vcm第一参考电压13第三对电容器vdd第二参考电压14第四对电容器gnd第三参考电压1n第n对电容器111第一对子电容器21a第一开关阵列112第二对子电容器21b第二开关阵列113第三对子电容器22逻辑控制模块
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本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
20.本发明提出一种模数转换器。
21.参照图1，在一实施例中，该模数转换器包括：比较器30，其包括同相输入端、反相输入端以及输出端；n对电容器，每对所述电容器包含容值相等的第一电容器和第二电容器，n对所述电容器中的第一电容器与所述比较器30的同相输入端连接，所述第二电容器与所述比较器
30的反相输入端连接；控制模块，其输入端与所述比较器30的输出端连接，所述控制模块的输出端分别与每一对电容器的所述第一电容器和所述第二电容器连接，所述控制模块被配置为：输出第一参考电压组至每一对所述电容器，获取所述比较器30的第一次比较结果；在第一次比较结果为低电平时，输出第二参考电压组至第一对电容器11，并在后续的比较中，当第m次比较结果为低电平时，输出第二参考电压组至第m对电容器；当第m次比较结果为高电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第二参考电压组至第m对电容器；也即，在第二次至第n次比较过程中，当上一次比较的结果为低电平时，输出第二参考电压组至第m对电容器；当上一次比较的结果为高电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第二参考电压组至第m对电容器；在第一次比较结果为高电平时，输出第三参考电压组至第一对电容器11，并在后续的比较中，当第m次比较结果为高电平时，输出第三参考电压组至第m对电容器；当第m次比较结果为低电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第三参考电压组至第m对电容器；也即，在第二次至第n次比较过程中，当上一次比较的结果为高电平时，输出第三参考电压组至第m对电容器；当上一次比较的结果为低电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第三参考电压组至第m对电容器；其中，m小于n；输出第一参考电压组可以解释为为输出第一参考电压vcm至所述第一电容器和所述第二电容器；输出第二参考电压组为输出第二参考电压vdd至所述第一电容器，并输出第三参考电压gnd至所述第二电容器；输出第三参考电压组为输出第三参考电压gnd至所述第一电容器并输出第二参考电压vdd至所述第二电容器；所述第二参考电压vdd的电压值大于第一参考电压vcm的电压值，所述第一参考电压vcm的电压值大于第三参考电压gnd的电压值。例如，所述第一参考电压vcm的电压值等于所述第二参考电压vdd的电压值和所述第三参考电压gnd的电压值的均值，也就是说，第一参考电压vcm是第二参考电压vdd和第三参考电压gnd的中间电压。例如，第二参考电压vdd为电源电压，第三参考电压gnd为地端电压，第一参考电压vcm为介于电源电源和地端电压之间的公共电压。当然，在其他实施例中也可以是其他倍数关系，此处不做限定，只要满足第一参考电压vcm、第二参考电压vdd、第三参考电压gnd三者之间的大小关系即可。
22.在本实施例中，n对所述电容器的电容值依次减小，例如逐级缩小二分之一，第n对所述电容器对至第一对所述电容器的电容值依次为c、c、2c、
……
、2
n-3
c、2
n-2
c；其中，c为单位电容值。当然在其他实施例中，也可以是按照其他的方式依次递减，此处不做限定，本实施例以逐级缩小二分之一为例进行说明。第一电容可以等于第二电容。
23.下面针对本实施例的技术原理进行说明：模数转换器的过程包括采样和量化两个阶段，将模拟信号转换成数字信号。在采样阶段，打开采样开关电路，接入采样信号（也即待模数转换的信号，差分输入信号）。
24.采样完成后，在量化阶段，通过控制电容的接入方式，使得电容的共模电平逐次逼近采样信号的电压。例如，参照图2，图2给出当n等于3时，3对电容器的接入方式的变化，当n等于其他数值时，原理类似，此处不再赘述。在采样完成后，量化阶段中，比较器30进行第一
次比较，并输出一个比较结果，此比较结果作为数字信号的最高位，并将比较结果输出至控制模块。
25.当第一次比较结果为0时（1表示高电平，0表示低电平），表示采样信号的电压值小于0，控制模块切换n对电容器的参考电压，输出第二参考电压组至第一对电容器11（切换n对电容器的接入电压的过程如图2标号为a1的箭头所示，当比较结果为1时，则如标号为a2的箭头所示），也即第一对电容器11的第一电容接入第二参考电压vdd，第二电容接入第三参考电压gnd，此时，由于比较器30输入端电荷守恒，此时比较器30输入端的的电压信号为：v
input = v
in
0.5vdd其中，v
input
表示切换n对电容器的接入电压后，比较器30输入端的的电压信号，vin表示采样信号，vdd表示第二参考电压vdd。也就是说，第二次比较中，采样信号将与进行比较，当采样信号小于时，第二次比较结果为0，此时控制模块切换n对电容器的接入电压，具体为输出第二参考电压组至第二对电容器12（切换n对电容器的接入电压的过程如图2标号为b1的箭头所示，当比较结果为1时，则如标号为b2的箭头所示），此时，由于比较器30输入端电荷守恒，此时比较器30输入端的输入端电压信号为：v
input = v
in
0.75vdd也就是说，采样信号将与进行比较。如此循环，如果比较器30的输出端一直输出为0，则采样信号依次与、
……
，依次类推，逐级比较，进行比较直至n次比较结束。
26.而当采样信号大于时，第二次比较结果为1，此时控制模块切换n对电容器的接入电压，具体为输出第一参考电压组至第一对电容器11（对第一电容器进行复位）并输出第二参考电压组至第二对电容器12（切换n对电容器的接入电压的过程如图2标号为b2的箭头所示），此时，由于比较器30输入端电荷守恒，此时比较器30输入端的电压信号为：v
input = v
in
0.25vdd也就是说，在比较器30进行第三次比较时，采样信号将与进行比较，如此循环，根据每一次的比较结果，调节电容器的参考电压，使得采用信号依次与不同的电压进行比较，逐次逼近，进行n次比较，即可得到小于0的采样信号转换后的数字信号同理，参照图2，当第一次比较结果为1时（1表示高电平，0表示低电平），表示输入信号大于0，控制模块切换n对电容器的接入电压，具体为输出第三参考电压组至第一对电容器11（切换n对电容器的接入电压的过程如图2标号为a2的箭头所示），也即第一对电容器11的第一电容接入第三参考电压gnd，第二电容接入第二参考电压vdd，此时，由于比较器30输入端电荷守恒，此时比较器30输入端的的电压信号为：v
input = v
in-0.5vdd
也就是说，第二次比较时，采样信号将与，若比较器30输入端信号小于，比较器30输出结果为0，则输出第一参考电压组至第一对电容器11，且输出第三参考电压组至第二对电容器12（如图2标号为12的箭头所示），由于比较器30输入端电荷守恒，在比较器30的第三次比较时，采样信号将与进行比较。
27.如果若比较器30输入端信号大于，则输出第三参考电压组至第二对电容器12（切换n对电容器的接入电压的过程如图2标号为c2的箭头所示，如若比较器30输入端信号小于，则电压变化如标号为c1的箭头所示），根据电荷守恒，比较器30的第三次比较，采样信号将与进行比较。以此类推，直至最后一次比较完成。
28.不难发现，在上述的比较中，每一对电容器上的电压只会在第一参考电压组和第二参考电压组之间变化，或者在第一参考电压组和第三参考电压组之间变化，也就是说，第一电容器或者第二电容器的电压只会在第一参考电压vcm和第二参考电压vdd之间变化，或者在第一参考电压vcm和第三参考电压gnd之间变化。相比较会在第二参考电压vdd和第三参考电压gnd之间变化实现逐级比较的现有方案，本发明的第一电容或者第二电容的电压变化幅度变为原来的一半，从而模数转换器的线性度可以提升至原来的一倍。
29.本发明技术方案通过调整电容器接入的参考电压，利用电荷重新分配原理实现逐次逼近算法，实现模数转换。通过设置控制模块针对小于0的采样信号，在第m次比较结果为低电平时，输出第二参考电压组至第m对电容器；在第m次比较结果为高电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第二参考电压组至第m对电容器；针对大于0的采样信号，在第m次比较结果为高电平时，输出第三参考电压组至第m对电容器；在第m次比较结果为低电平时，输出第一参考电压组至第m-1对电容器，且输出第三参考电压组至第m对电容器；本发明可以控制每一对电容器的第一电容和第二电容的参考电压的变化均为：从第一参考电压vcm（第二参考电压vdd和第三参考电压gnd的中间电压）跳变至第二参考电压vdd（或者第三参考电压gnd），或者第二参考电压vdd跳（或者第三参考电压gnd）跳变至第一参考电压vcm，相比较现有技术在第二参考电压vdd和第三参考电压gnd之间跳变的方案，电压变化幅度缩小一半，线性度提升一倍。
30.在一实施例中，所述控制模块被配置为：在进行第n次比较后，保持每一对所述电容器接入的参考电压组。
31.进行n次比较后，输出了n个比较结果，n个比较结果按照输出顺序，构成了采用信号模数转换后得到的数字信号。第n次比较后，不再改变电容器接入的参考电压，维持输出。
32.参照图3，在一实施例中，第l对所述电容器包括n-l对子电容器，n-l对所述子电容器的电容值与第l 1至第n对所述电容器的电容值一一对应相等；所述控制模块被配置为：在进行第一轮比较后，输出第一参考电压组至每一对所述电容器，利用第l对所述电容器的n-l对子电容器替代所述第l 1至第n对所述电容器，将第
l 1至第n对所述电容器并联后，替代第l对所述电容器，继续进行新一轮比较，并将两轮比较的比较结果取均值作为最终比较结果；l大于等于1，且l小于等于n。
33.参照图3和图4，本实施例以4位模数转换器为例进行说明，也即n等于4，第一对电容器11、第二对电容器12、第三对电容器13以及第四对电容器14的电容值依次为4c、2c、c、c。当n取其他数值时，原理类似。
34.参照图3第一对电容器11（第l对电容器l取1时）包括三对子电容器，分别为第一对子电容器111、第二对子电容器112以及第三对子电容器113，其中，第一对子电容器111的电容值与第二对电容器12（第l 1对电容器）相等，第二对子电容器112的电容值与第三对电容器13的电容相等，第三对子电容器113的电容值与第四对电容器14（第n对电容器1n）的电容相等。
35.其中，子电容器与电容器的电容值一一对应相等，可以连接为对应子电容器的第一电容与电容器的第一电容相等，子电容器的第二电容与电容器的第二电容也相等。每一对子电容器和每一对电容器可以均单独用一个开关控制。
36.下面针对原理进行说明：假设第一对子电容器111、第二对子电容器112、第三对子电容器113与第二对电容器12、第三对电容器13、第四对电容器14之间的电容失配为，第一对电容器11等效为，第二对电容器12、第三对电容器13、第四对电容器14的电容器等效为。
37.在本实施例中，进行一次采样，两次模数转换的步骤进行，也即对于一个采样信号，进行两轮比较，获取两个数字信号，输出取两个数字信号的均值。
38.在第一轮比较中，比较后得到的输出可以通过下式表示：其中，为第一次比较后的结果，是理想情况下的输出结果，是比较器30输入参考噪声引起的误差项，是此次比较后（第一对电容器11）、（第二至第四对电容器14）之间的电容失配所引起的误差项。
39.在第二轮比较中，利用第一对子电容器111代替第二对电容器12、第二对子电容器112代替第三对电容器13、第三对子电容器113代替第四对电容器14，第二对电容器12、第三对电容器13以及第四对电容器14代替第一对电容器11。（参照图4，a表示在第一轮比较中，第x次比较时，电容器接入的参考电压，b表示，在第二轮比较中，第x次比较时，电容器接入的参考电压的）第二轮比较后得到的输出可以通过下式表示：其中，为第二次比较后的结果，是理想情况下的输出结果，是比较器30输入参考噪声引起的误差项，是第二次比较后第一对电容器11和第二至
第四对电容器14之间的电容失配所引起的误差项。
40.此时，由于运用电容交换引起误差极性相反，即，，将两次比较的结果平均后得到：两次比较的结果平均后得到：可以看到，使用电容交换技术后最高位电容和剩余低位电容之间的电容失配所引起的误差项被抵消了，故使用电容交换技术可以提高信噪比以及adc的非线性。
41.综上所述，本实施例中的电容交换技术（第l对电容器和第l 1至第n对电容器1n交换）可以使得模数转换器的线性度提高一倍。结合上述的电容切换技术，则可将模数转换器的非线性度提高两倍。
42.此外，需要说明的是：虽然将第l对电容器分成n-l对子电容器，总的电容值不变，因此，与不适用电容交换技术的方案相比，模数转换器占用的面积不变。
43.需要解释的是，上述举例以l等于1，n等于4为例进行说明，但是在实际应用中，l和n等于其他值时，原理类似，此处不再赘述。
44.在一实施例中，所述l大于等于1，且l小于等于3，从而在保证模数转换线线性度提高的同时，避免电容器参考电压变化的算法变得过于复杂。
45.参照图1和图3，在一实施例中，所述控制模块包括：电源模块，其用于产生所述第一参考电压vcm、所述第二参考电压vdd以及所述第三参考电压gnd；开关阵列，其输入端与所述电源模块连接，所述开关阵列的输出端分别与n对所述电容器一一连接；逻辑控制模块22，与所述开关阵列的受控端连接，所述逻辑控制模块22用于控制开关阵列，以实现输出所述第一参考电压组、所述第二参考电压组以及所述第三参考电压组至n对所述电容器。
46.开关阵列可以是两个，分别为第一开关阵列21a和第二开关阵列21b，第一开关阵列21a和第二开关阵列21b接入第一参考电压vcm、第二参考电压vdd和第三参考电压gnd，并在逻辑控制模块22的控制下，输出参考电压，以调节第一电容第二电容的参考电压。
47.在一些实施例中，第二参考电压vdd取值为电源电压，或者略小于电源电压，例如3.4v，第三参考电压gnd的取值可以为0v，第一参考电压vcm为第二参考电压vdd和第三参考电压gnd的中间电压，也即1.7v。当然在其他实施例中，也可以是其他值，此处不做限定。
48.在一实施例中，所述模数转换器还包括：采样开关电路，其输入端用于接入采样信号，所述采样开关电路的输出端与所述比较器30连接，所述采样开关电路的受控端与所述控制模块连接。
49.采样开关电路模数转换器的采样阶段打开，接入采样信号，在量化阶段关闭，避免
外接信号影响模数转换器的工作。
50.本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括上述的模数转换器。该模数转换器的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
51.以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。