[发明专利]一种低功耗模数转换器

说明书

技术领域

本发明公开了一种低功耗模数转换器，适用于超低功耗场景，涉及数字模拟转换技术领域。

背景技术

在物联网大发展的背景下，社会生活领域中各种物件都将逐渐接入网络，成为网络的一部分。如此，每个物件都需要可被感知以及可通讯，相应的感知-通讯终端将迎来数以亿兆计的数量爆炸。

在如此庞大的数量面前，每个终端的功耗控制至关重要，过大的功耗将导致终端配备较大的电池影响其应用场景或者缩短其续航能力使得其需要频繁电池从而增加成本。比如人体内部的人工心脏起搏器的功耗如果可以降低，病人去开刀更换电源的痛苦的频率即可降低。总而言之，功耗的大小乘以庞大的数量，对整个人类社会的能源消耗也将造成影响，一分一毫的功耗降低，整体的收益也是非常可观的。

在这样的终端里，模数转换器（ADC）是不可或缺和至关重要的，因为世界本身是连续变化的，即模拟的，而计算机网络世界都是数字化的，连接这两者的桥梁就是模数转换器。降低模数转换器的功耗，对于这类终端的应用和成本，是有极大益处的。

在现有的产业界，低功耗的ADC一般采用逐次逼近型SAR ADC，原因是首先在低功耗的应用场景中，一般来说，对于ADC的采样速度要求不高，一般在KHz到若干MHz，而精度确可能有一定要求，一般在8-12bit。这样的指标要求对于逐次逼近型SAR ADC是比较适合的。

逐次逼近型SAR ADC的工作过程大致可以如图1所示。为了简便起见，这里的ADC的精度是4bit，这时最小的输入信号经过ADC转换后对应的数字码是0，最大的信号对应的是16。现在假设输入信号是11.5，ADC开始转换，首先输入信号与8进行比较，由于其大于8，ADC得到最高位MSB为‘1’，第二次ADC在8的基础上加上4得到12，这次输入较小，ADC得到次高位‘0’，第三次ADC在12的基础上减2得到10，这次输入较大，ADC得到‘1’，最后一次ADC在10的基础上加1得到11，于是ADC得到最低位LSB为‘1’。至此ADC转换结束，得到的数字编码是‘1011’。综上所述，逐次逼近型SAR ADC的转换表现为：

1 从最高位MSB到最低位LSB逐步确定每一位的bit。

2 第一次比较总是与满量程的中间值比较。

3 每次调整的步长比上次减半。

4 调整的步长是增还是减由上一次的bit是‘1’还是‘0’确定。

图2是逐次逼近型SAR ADC简化的电路实现示意图。每个电容的上端可以选择接输入信号或者参考电压，参考电压有两种，Vr+和Vr-，接Vr+可以实现调整步长是加，接 Vr-实现减。电容阵列C8的容值是C4的2倍，C4是C2的2倍，C2是C1的2倍，最后C1与C0相等。

刚才叙述的算法过程在上图可以具体表示为，首先电容上端接输入信号，所有电容下端接0，然后开关断开，完成信号采样。然后C8上端接Vr+，其次接Vr-，比较器进行第一次比较，第一次的比较结果就是整个数字输出码的最高位MSB。由于比较结果为‘1’，则控制逻辑控制C4由原来的接Vr-改成接Vr+，实现算法中步长增加4的功能。C4接法改变后，进行第二次比较，得到‘0’，下一次C4改回接Vr-，C2改成接Vr+，实现步长减2，再次比较得到‘1’，最后C1变为接Vr+再次比较，得到最低位LSB‘1’，比较结束。

然而在物联网的应用领域中，传统的逐次逼近型SAR ADC存在功耗浪费的情况。原因是在大部分应用中，虽然需要比较高精度的获取信号，但是输入信号本身是缓变的，比如环境的温度、湿度、气体浓度等等，它们的变化率都在秒的级别。也就是说，逐次逼近型SAR ADC的输入信号前一次的值与下一次的值相差不多，即两次输入的最终转换结果在高位上可能都是完全一样的，仅仅在最后几位上才有差别。

而传统逐次逼近型SAR ADC总是从一个固定的起始值开始逼近，每次比较完全相同的最高位都需要重新确定一遍，这些比较过程就浪费了功耗。另外值得注意的是，在逐次逼近型SAR ADC的转换过程中，最高位的判断是最耗费功耗的，每降低一位，所耗费的功耗就会减半。因此，如果可以省去高位的比较过程，ADC的功耗就能显著降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，对现有的逐次逼近型SAR ADC进行改进，提出一种带有自适应特性的逼近算法低功耗模数转换器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：