[发明专利]一种用于智能传感器的逐次逼近模数转换器电容优化方法

说明书

该发明公开了一种用于智能传感器的逐次逼近模数转换器电容优化方法，为了减少不必要的损失包括：设计复杂度、芯片面积、功耗、速度等，同时减小电容失配误差，本发明提出了一种不同于传统的电容阵列优化方案：通过电容排序，组合并调整电容阵列，使得ADC的电容失配误差得到减小，提高精度；相较于传统技术，本发明不需要增加额外的电容。

技术领域

本发明涉及一种逐次逼近模数转换器，应用于智能传感器的高速高精度模数转换器。

背景技术

智能传感器是新一代的智能仪器，集成变换器、信号调节和后处理电路模块于一身。近年来，智能传感器广泛应用于精密仪器、医疗仪器、通信、雷达、航空航天、电子对抗、安防安检系统、故障检测、地震探测等领域，在我们的生活中有着非常重要的作用。最近几年，随着智能传感器飞速发展，应用于智能传感器的内嵌模块如传感器、放大器、模数转换器(ADC)的研究受到广泛关注。一个完整的智能传感器不仅需要传感器、放大器模块对外部信号进行采集，为了外部信号能进一步得到处理和校正，只有通过ADC将接收到的模拟信号转换成数字信号。因此，ADC模块对智能传感器设备的可靠性、稳定性和持久性都有着极大的影响。美国在高速、高精度模数转换器领域对我国有严格的出口限制，因此，只有研发具有自主知识产权的高性能模数转换器，才能打破欧美发达国家对我国这一领域的压迫性地位，才能推进我国相关领域的发展。因此，本发明是一项具有重大意义的工作。

智能传感器的主要的架构如图1所示，由传感器，电极，放大器，低通滤波器，模数转换器五个内嵌模块组成。工作流程：首先，传感器感知到外部的信号，传感器输出的小信号通过电极经过放大器和低通滤波器预处理，最后通过模数转换器模块完成感知信号到数字信号的转换。可见，在整个过程中，ADC是一个非常重要的模块。本发明着重于高精度ADC的实现，并能满足高性能、多功能的智能传感器的需要。

主流的奈奎斯特频率(Nyquist-Rate)式的模数转换器包括全并行模数转换器(Flash ADC)、逐次逼近模数转换器(SAR ADC)、过采样模数转换器(ΣΔ ADC)以及流水线模数转换器(Pipeline ADC)。无杂散动态范围(SFDR)，信噪失真比(SNDR)，信噪比(SNR)是衡量ADC线性度的动态参数，更高的动态参数意味着更高的线性度。

全并行模数转换器只能用于低精度高采样速率的应用，过采样和流水线型的模数转换器则不适用于低功耗的场合。逐次逼近模数转换器，顾名思义，是利用一种二进制算法来实现输入模拟信号到输出数字信号的转换。如图2所示，逐次逼近模数转换器由采样保持模块、数模转换器模块(DAC)、电压比较器和一个逐次逼近寄存器，并没有多余的放大器模块。因此，电荷型逐次逼近转换器的简单结构成为众多奈奎斯特频率式ADC中的研究热点。

高精度的逐次逼近模数转换器主要采用混合电阻电容结构，在混合电阻电容结构中，采用电阻和电容两种元件，高位DAC由二进制电容阵列构成，而低位DAC由电阻串组成。因此，总电容值比同精度的纯二进制电容架构都小，有效的减小了电容阵列的面积；而面积越小，速度越快。