连续逼近暂存器式模数转换器及其信号转换方法与流程

1.本发明涉及一种模数转换器，特别是涉及一种具有估测实际噪声以及统计运算功能的连续逼近暂存器式模数转换器及其信号转换方法。


背景技术：

2.模数转换器的解析度通常会受限于实际环境的噪声。在现有技术中，可通过事先模拟来预测模数转换器中的部分电路(例如为比较器)的噪声数据，并根据此噪声数据进行预设计算来提升模数转换器的解析度。然而，实际环境的噪声可能还会包括其它电路的内在(intrinsic)噪声(例如为热噪声与/或闪烁噪声等)以及实际环境中的电磁干扰等。因此，通过事前模拟所预测到的噪声数据并不足以反映真实的噪声数据，从而使得模数转换器的解析度的实际改善幅度并不明显。


技术实现要素：

3.在本发明的一些实施例中，连续逼近暂存器式模数转换器包括采样电路系统、比较器电路以及控制器电路系统。采样电路系统用以根据一采样信号产生一第一信号与一第二信号。比较器电路用以比较该第一信号与该第二信号，以产生多个决策信号。控制器电路系统用以根据这些决策信号产生多个第一数字码，并控制该比较器电路产生对应于多个输出比较结果的这些决策信号，以根据这些第一数字码、一统计噪声值以及对应于这些输出比较结果的这些决策信号产生一数字输出。控制器电路系统还用以在一初始阶段控制该采样电路系统以及该比较器电路，其中该比较器电路根据具有一初始电平的该采样信号产生对应于多个估算比较结果的这些决策信号，并且该控制器电路系统根据对应于这些估算比较结果的这些决策信号执行一统计运算，以得到该统计噪声值。
4.在一些实施例中，信号转换方法包括下列操作：在一初始阶段通过一连续逼近暂存器式模数转换器根据具有一初始电平的一采样信号产生对应于多个估算比较结果的多个决策信号，并根据对应于这些估算比较结果的这些决策信号执行一统计运算以得到一统计噪声值；通过该连续逼近暂存器式模数转换器根据一输入信号产生多个第一数字码，并产生对应于多个输出比较结果的这些决策信号；以及根据这些第一数字码、该统计噪声值以及对应于这些输出比较结果的这些决策信号产生一数字输出。
5.有关本发明的特征、实作与功效，现结合图示对优选实施例进行详细说明如下。
附图说明
6.图1为根据本发明的一些实施例示出的一种连续逼近暂存器式模数转换器的示意图；
7.图2a为根据本发明的一些实施例示出的用于产生统计噪声值的多个操作的流程图；
8.图2b为根据本发明的一些实施例示出的图1中的连续逼近暂存器式模数转换器执
行图2a中的一操作的示意图；
9.图2c为根据本发明的一些实施例示出的图1中的连续逼近暂存器式模数转换器执行图2a中的另一操作的示意图；
10.图2d为根据本发明的一些实施例示出的图1中的连续逼近暂存器式模数转换器执行图2a中的多个操作的示意图；
11.图3为根据本发明的一些实施例示出的用于产生图1中的数字输出的多个操作的流程图；以及
12.图4为根据本发明的一些实施例示出的一种信号转换方法的流程图。
具体实施方式
13.本说明书中使用的所有词汇具有其通常的含义。上述词汇为在普遍常用字典中的定义，以及本发明内容中所包括的、任一在此讨论的词汇的使用例子，仅作为示例，不应限制本发明的范围与含义。同样地，本发明也不仅以在此说明书中所示出的各种实施例为限。
14.关于在本说明书中所使用的“耦接”或“连接”，均可指两个或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，也可指两个或多个元件相互操作或动作。如本说明书中所使用的，用语“电路系统(circuitry)”可为由至少一电路(circuit)所形成的单一系统，且用语“电路”可为由至少一个晶体管与/或至少一个主被动元件按一定方式连接以处理信号的装置。
15.如在本说明书中所使用的，用语“与/或”包括了所列出关联项目中的一个或多个的任何组合。在本说明书中，所使用的第一、第二与第三等词汇，仅用于描述并辨别各个元件。因此，本说明书中的第一元件也可被称为第二元件，而不脱离本发明的本意。为便于理解，各图示中的类似元件将被指定为相同的标号。
16.图1为根据本发明的一些实施例示出的一种连续逼近暂存器式(successive approximation register,sar)模数转换器100(以下简称为sar模数转换器100)的示意图。sar模数转换器100包括采样电路系统110、比较器电路120以及控制器电路系统130。
17.采样电路系统110用以根据采样信号ss产生信号s1以及信号s2。在一些实施例中，采样电路系统110包括开关电路112以及数模转换器电路114。开关电路112包括多个开关t1～t3。开关t1耦接于sar模数转换器100的输入端it1以及比较器电路120的第一输入端之间。开关t2耦接于sar模数转换器100的输入端it2以及比较器电路120的第二输入端之间。开关t3耦接于输入端it1以及输入端it2之间。输入端it1以及输入端it2用以接收输入信号vin。
18.当开关it1与开关it2导通且开关it3未导通时，输入信号vin经由开关it1与开关it2输出为采样信号ss。在此条件下，sar模数转换器100可将输入信号vin转换为对应的数字输出do。或者，当开关it1、开关it2与开关it3皆导通时，输入端it1耦接至输入端it2。在此条件下，输入端it1与输入端it2短路，且开关电路112可输出具有初始电平的采样信号ss。
19.在本实施例中，数模转换器电路114可为电容式数模转换器电路。例如，数模转换器电路114包括开关电容阵列114a以及开关电容阵列114b。开关电容阵列114a耦接至开关t1以及比较器电路120的第一输入端，并用以根据采样信号ss以及控制器电路系统130的控
制产生信号s1。例如，开关电容阵列114a包括多个电容以及多个开关。多个电容的容值分别为c(标示为20c)、c、21c、22c、
…
、2
b-2
c以及2
b-1
c，其中20、21…
、2
b-2
以及2
b-1
代表这些电容所对应的权重，且具有最小权重(即为20)的一个电容固定耦接至地。在一些实施例中，上述容值中的数值b可为一正整数。在一些实施例中，该数值b可用于指示sar模数转换器100的解析度。基于控制器电路系统130的控制，多个开关选择性地将地电压或是参考电压vref传输给剩余电容中所对应的那一个。多个电容可储存采样信号ss，并基于多个开的切换产生信号s1。
20.开关电容阵列114b耦接至开关t2以及比较器电路120的第二输入端，并用以根据采样信号ss以及控制器电路系统130的控制产生信号s2。开关电容阵列114b的设置方式类似于开关电容阵列114a，故在此不再赘述。
21.比较器电路120用以比较信号s1与信号s2，以产生决策信号sd。控制器电路系统130用以根据决策信号sd执行二元搜索(binary search)演算法，以产生数字输出do。具体而言，在模数转换的过程中，控制器电路系统130根据决策信号sd决定数字输出do的一个数字码(例如为数字码d
b-1
)，并据此切换数模转换器电路114。响应于数模转换器电路114的切换，比较器电路120再次比较更新后的信号s1与信号s2，以产生下一个决策信号sd。控制器电路系统130根据此决策信号sd决定数字输出do的下一个数字码(例如为数字码d
b-2
)，并切换数模转换器电路114。依此类推，应当理解，在模数转换的过程中，比较器电路120可依序比较信号s1与信号s2，以产生对应于多个输出比较结果(其用以产生数字输出do)的多个决策信号sd。控制器电路系统130可根据这些决策信号sd产生数字输出do中的多个第一数字码(例如为下文中所述的数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0)。
22.在一些实施例中，控制器电路系统130还用以根据这些第一数字码、统计噪声值(例如为后述的统计噪声值σ
noise
)以及对应于多个输出比较结果的多个决策信号sd产生完整的数字输出do。在一些实施例中，控制器电路系统130可于初始阶段(例如为sar模数转换器100上电后的一预设期间)内控制采样电路系统110与比较器电路120，其中比较器电路120根据具有初始电平的采样信号ss产生对应于多个估算比较结果(其用以估算统计噪声值)的多个决策信号sd，并且控制器电路系统130根据这些决策信号sd执行统计运算，以得到前述的统计噪声值。关于此处操作将在下文中参照图2a至图3进行详细说明。
23.在一些实施例中，控制器电路系统130可由数字信号处理器电路、微控制器电路与/或数字逻辑电路实施，其中该数字信号处理器电路、该微控制器电路与/或该数字逻辑电路可用以执行图2a与图3中的多个操作。在一些实施例中，控制器电路系统130还包括一存储器电路(图中未示出)，其用以储存统计噪声值的数据。在一些实施例中，控制器电路系统130可包括第一电路部分与第二电路部分，第一电路部分用以执行模数转换，且第二电路部分用以执行前述的统计运算并产生完整的数字输出do。在一些实施例中，控制器电路系统130可输出多个控制信号(图1中未示出)以控制开关电路112的切换，并可输出另一控制信号(图1中未示出)以控制比较器电路120的时序。
24.举例而言，控制器电路系统130可输出第一控制信号来控制比较器电路120进行比较或重置，且比较器电路120可输出第二控制信号以通知控制器电路系统130已完成比较或完成重置。当第一控制信号由第一逻辑值切换至第二逻辑值时，比较器电路120可开始进行比较。当比较器电路120完成比较以产生对应的决策信号sd时，比较器电路120可输出具有
第二逻辑值的第二控制信号，以通知控制器电路系统130比较操作已完成。控制器电路系统130可据此储存当前的决策信号sd，并将第一控制信号由第二逻辑值切换回第一逻辑值。响应于具有第一逻辑值的第一控制信号，比较器电路120可进行重置，以使比较器电路120中的内部节点恢复至预设电平。当比较器电路120重置完成时，比较器电路120可将第二控制信号由第二逻辑值切换回第一逻辑值，以通知控制器电路系统130重置操作已完成。通过这种方式，控制器电路系统130可再将第一控制信号由第一逻辑值切换至第二逻辑值，以开始下一次的比较。通过上述重复操作，比较器电路120可重复进行数次比较以产生多个决策信号sd。上述关于比较器电路120以及控制器电路系统130之间的设置方式仅作为示例，且本发明并不以此为限。
25.图2a为根据本发明的一些实施例示出的用于产生统计噪声值的多个操作的流程图。在一些实施例中，控制器电路系统130可执行图2a中的多个操作，以决定统计噪声值。
26.操作s210中，在初始阶段内，控制采样电路系统将第一输入端耦接至第二输入端，以产生具有初始电平的采样信号。
27.图2b为根据本发明的一些实施例示出的图1的sar模数转换器100执行图2a中的操作s210的示意图。如图2b所示，在初始阶段内，开关t1、开关t2以及开关t3均导通。在此条件下，第一输入端it1与第二输入端it2短路。因此，开关电路112可输出具有初始电平(例如但不限于为零)的采样信号ss给数模转换器电路114。换句话说，数模转换器电路114可储存具有初始电平的采样信号ss。在一些实施例中，采样电路系统110可利用其它设置方式产生具有初始电平的采样信号ss。例如，在初始阶段中，开关电路112可将输入端it1与输入端it2耦接至用于提供一预设电平(例如为地电压或是参考电压vref)的信号来源。各种产生初始电平的设置方式均属于本发明所涵盖的范围。
28.继续参照图2a，在操作s220中，在初始阶段，切换数模转换器电路中的一元件(在图1的例子中为电容)接收参考电压以根据具有初始电平的采样信号产生第一信号(例如为信号s1)与第二信号(例如为信号s2)。
29.图2c为根据本发明的一些实施例示出的图1的sar模数转换器100执行图2a中的操作s220的示意图。如图2c所示，在采样信号ss被储存后，开关t1、开关t2与开关t3不导通。进一步地，控制器电路系统130切换开关电容阵列114a中具有最小权重(例如为20)的元件(在此例中为可通过开关切换的电容)接收参考电压vref，以产生信号s1与信号s2。通过操作s220，信号s1的电平(即比较器电路120的第一输入端的电平)被平移了vref/2b。上述切换电容的设置方式仅作为示例，且本发明并不以此为限。在其它实施例中，控制器电路系统130可切换开关电容阵列114a或开关电容阵列114b中的一个或多个电容，以产生对应的信号s1与信号s2。
30.继续参照图2a，在操作s230中，控制比较器电路重复比较第一信号与第二信号，以产生对应于多个估算比较结果的多个决策信号。在操作s240中，根据对应于多个估算比较结果的多个决策信号执行统计运算以得到统计噪声值。
31.图2d为根据本发明一些实施例示出的图1的sar模数转换器100执行图2a中的操作s230与操作s240的示意图。如图2d所示，基于控制器电路系统130的控制，比较器电路120重复地将信号s1与信号s2比较了n1次，以产生n1个决策信号sd(其对应于n1个估算比较结果，其用以估算统计噪声值)。
32.在一般的模数转换中，在产生完多个数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0后，数模转换器电路114上可能会因为有残余的电荷而产生余量(residue)电压。此余量电压相当于sar模数转换器100对要转换的采样信号ss的量化误差。另外，实际应用上，比较器电路120也可能因为各种噪声的影响而使得比较结果不准确。为了改善此问题，控制器电路系统130可通过操作s240来估算统计噪声值，进而估算余量电压。在一些实施例中，若比较器电路120的输入为余量电压与统计噪声值的总和时，可利用统计运算来决定比较器电路120输出具有逻辑值1的决策信号sd的机率。在一些实施例中，前述的统计运算可包括(但不限于)最大似然估计(maximum likelihood estimation)。
33.例如，参考相关技术文献b.verbruggen,j.tsouhlarakis,t.yamamoto,m.iriguchi,e.martens and j.craninckx,“a 60db sndr 35ms/s sar adc with comparator-noise-based stochastic residue estimation，”in ieee journal of solid-state circuits,vol.50,no.9,pp.2002-2011,sept.2015，该文献的式(1)基于最大似然估计的方式来推估比较器电路120在单次比较中输出具有逻辑值1的决策信号sd的机率。基于上述文献的式(1)，可进一步推得对应于n1个估算比较结果的n1个决策信号sd中具有逻辑值1的机率符合下式(2)，其中v
res
为余量电压，σ
noise
为统计噪声值，k1为n1个决策信号sd中具有预设逻辑值(例如为逻辑值1)的信号个数，且erf()为误差函数：
[0034][0035]
若数值k1与统计噪声值σ
noise
已知，可基于式(2)推得余量电压v
res
符合下式(3)，其中erf-1
()为反误差函数：
[0036][0037]
如前所述，在初始阶段，比较器电路120第一输入端的电平被平移了vref/2b(即操作s220)，故上式(2)的余量电压v
res
相当于vref/2b。将vref/2b代入上式(3)可推得：
[0038][0039]
因此，在初始阶段内，控制器电路系统130可根据数值n1以及vref/2b的数值来执行统计运算(即式(4))，以决定统计噪声值σ
noise
，并储存统计噪声值σ
noise
。如此一来，控制器电路系统130可利用统计噪声值σ
noise
估计余量电压v
res
，以产生完整的数字输出do。应当理解，上述的统计噪声值σ
noise
可包括关联于采样电路系统110以及比较器电路120的多种噪声数据。在一些实施例中，前述的多种噪声符合高斯分布。
[0040]
在上述的参考文献中，统计噪声值σ
noise
是利用事先模拟决定的。然而，在该参考文献中，统计噪声值σ
noise
仅涵盖比较器电路的噪声数据，且通过模拟所得到噪声数据并无法完全反映真实的噪声。例如，若实际应用的制程、电压、温度等操作条件出现变异，统计噪声值σ
noise
就会出现改变。换句话说，该参考文献的统计噪声值σ
noise
并不足以反映真实的噪声数据。另外，上述的参考文献需要设置多个比较器电路以产生足量的统计数据。
[0041]
相较于上述参考文献，在本发明的一些实施例中，统计噪声值σ
noise
是在sar模数转换器100的初始阶段(例如为上电后的一段期间)内决定的。换句话说，sar模数转换器100可通过一训练过程(即初始阶段中执行的多个操作)计算出实际环境下的统计噪声值σ
noise
。通
过这种方式，可得到更准确的噪声数据。另外，在本发明的一些实施例中，可仅使用单一比较器电路120来产生足量的统计数据。通过这种方式，可节省电路面积与硬件成本。
[0042]
图3为根据本发明的一些实施例示出的用于产生图1的数字输出do的多个操作的流程图。在一些实施例中，控制器电路系统130可执行图3中的多个操作，以决定数字输出do。
[0043]
在操作s310中，根据采样信号产生第一信号与第二信号。在操作s320中，比较该第一信号与该第二信号，以产生多个决策信号。在操作s330中，根据这些决策信号产生多个第一数字码(例如为多个数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0)。
[0044]
例如，开关t1与开关t2导通，且开关t3不导通。在此条件下，开关电路112可将输入信号vin输出为采样信号ss。响应于采样信号ss，开关电容阵列114a与开关电容阵列114b产生不同的信号s1与信号s2。比较器电路120可比较信号s1与信号s2以产生决策信号sd。响应于该决策信号sd，控制器电路系统130产生数字码d
b-1
，并切换开关电容阵列114a与/或开关电容阵列114b中的至少一个。通过这种方式，开关电容阵列114a与开关电容阵列114b可更新信号s1与信号s2，且比较器电路120可再次比较信号s1与信号s2以产生新的决策信号sd。响应于该决策信号sd，控制器电路系统130产生数字码d
b-2
，并切换开关电容阵列114a与/或开关电容阵列114b中的至少一个。依此类推，控制器电路系统130可根据多个决策信号sd产生多个数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0。
[0045]
在操作s340中，控制比较器电路重复比较第一信号与第二信号，以产生对应于多个输出比较结果的多个决策信号。在操作s350中，根据对应于多个输出比较结果的多个决策信号以及统计噪声值决定第二数字码。
[0046]
例如，在产生多个数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0后，数模转换器电路114上可能会残留余量电压v
res
。换句话说，在产生多个数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0后，数模转换器电路114输出的信号s1与信号s2可用以反映余量电压v
res
。控制器电路系统130可控制比较器电路120重复比较信号s1与信号s2，以产生对应于n2个输出比较结果的n2个决策信号sd。参考前述的式(3)，控制器电路系统130可利用数值k2执行统计运算(即最大似然估计)得到余量电压v
res
(例如为下式(5))，其中数值k2为n2个决策信号sd中具有预设逻辑值(例如为逻辑值1)的信号个数：
[0047][0048]
进一步地，控制器电路系统130可利用下式(6)将余量电压v
res
转换为第二数字码d
res
，其中第二数字码d
res
可为具有多比特的信号：
[0049][0050]
在操作s360中，组合这些第一数字码与该第二数字码以产生数字输出。例如，控制器电路系统130可将多个数字码d
b-1
、d
b-2
、
…
、d1、d0合并(表示为d
b-1db-2
…
d1d0)，并加总合并后的数字码与第二数字码d
res
以产生数字输出do，其可表示为下式(7)：
[0051]
do＝d
b-1db-2
…
d1d0 d
res
…
(7)。
[0052]
通过上述操作，可有效地提升sar模数转换器100的解析度。例如，在一实施例中，若sar模数转换器100未使用前述的统计运算或其它校正机制，数字输出do的信号噪声比约
为51.7分贝(db)。通过上述操作，数字输出do的信号噪声比可提升至约为55.3分贝。
[0053]
上述关于sar模数转换器100的设置方式仅作为示例，且本发明并不以此为限。在其它实施例中，控制器电路系统130可执行非二元搜索(non binary search)演算法来执行模数转换。在一些实施例中，控制器电路130可利用数字信号处理、查找表或其它合适的方式来进行统计运算。在一些实施例中，数模转换器电路114可为其它类型的数模转换器电路。例如，数模转换器电路114可为电阻式数模转换器电路、电流式数模转换器等。
[0054]
图4为根据本发明的一些实施例示出的一种信号转换方法400的流程图。操作s410中，在初始阶段，通过连续逼近暂存器式模数转换器根据具有初始电平的采样信号以产生对应于多个估算比较结果的多个决策信号，并根据对应于这些估算比较结果的这些决策信号执行一统计运算以得到一统计噪声值。在操作s420中，通过该连续逼近暂存器式模数转换器根据一输入信号产生多个第一数字码，并产生对应于多个输出比较结果的这些决策信号。在操作s430中，根据这些第一数字码、该统计噪声值以及对应于这些输出比较结果的这些决策信号产生一数字输出。
[0055]
上述多个操作的说明可参照前述各个实施例，故不再赘述。上述信号转换方法400的多个操作仅作为示例，并非限定需依照此示例中的顺序执行。在不违背本发明各实施例的操作方式与范围下，在信号转换方法400下的各种操作可适当地增加、替换、省略或以不同顺序执行(例如可以是同时执行或是部分同时执行)。
[0056]
综上所述，本发明一些实施例中的sar模数转换器以及信号转换方法可利用装置上电的期间内决定实际噪声的数据，并可在不过度耗费硬件成本下利用此数据执行统计运算，以有效地增加sar模数转换器的解析度。
[0057]
虽然本发明的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本发明，本技术领域中具有普通知识的技术人员可依据本发明所明示或隐含的内容对本发明的技术特征进行变化，所有这些变化均可能属于本发明所要求的专利保护范畴，换句话说，本发明的保护范围应根据权利要求书所界定为准。
[0058]
附图标记说明：
[0059]
100：模数转换器
[0060]
110：采样电路系统
[0061]
112：开关电路
[0062]
114：数模转换器电路
[0063]
114a、114b：开关电容阵列
[0064]
120：比较器电路
[0065]
130：控制器电路系统
[0066]
20c、21c、22c、2
b-2
c、2
b-1
c：容值
[0067]
400：信号转换方法
[0068]
do：数字输出
[0069]
it1、it2：输入端
[0070]
s1、s2：信号
[0071]
s210、s220、s230、s240：操作
[0072]
s310、s320、s330、s340、s350、s360：操作
[0073]
s410、s420、s430：操作
[0074]
sd：决策信号
[0075]
ss：采样信号
[0076]
t1、t2、t3：开关
[0077]
vin：输入信号
[0078]
vref：参考电压