[发明专利]一种前馈式无源噪声整形逐次逼近型模数转换器

说明书

本发明公开了一种前馈式无源噪声整形逐次逼近型模数转换器，本发明的噪声整形SARADC采用了无源滤波器电路结构，避免使用多输入的比较器，减小了比较器的热噪声和回踢噪声，并且DAC电容和余量电容在余量采集时没有电荷分享，不需要有源电路从而减小了功耗。同时针对该噪声整形ADC带宽较低，应用场合是采集转换生物信号或温度信号等缓慢变化或静息期较长的信号，所以在SAR逻辑电路还采用了低位优先判别的逻辑结构，进一步减少功耗和转换周期。

技术领域

本发明属于集成电路领域，具体涉及一种前馈式无源噪声整形逐次逼近型模数转换器。

背景技术

过去许多对模数转换器的研究侧重于提高采样速率和分辨率，然而在很多用于连续监视人体生命特征、脉搏等的医疗器械或者对温度的环境监视器械的ADC不要求有上述的高性能，反而要求ADC有更低的转换功耗。上述场景采集的信号活跃程度较低，信号的活跃程度可以用每次转换输出码的改变量除以动态范围来表示，针对于这些采集信号活跃程度低的情况，现有提出以下几种类型的ADC：

异步事件驱动型(level-crossing)ADC，其基本原理是当输入信号活跃程度高时，信号的改变量一旦超过预定的阈值，ADC判定事件发生，发出一个脉冲(正或负)并记录采样点的位置：当输入信号活跃程度低时，只要信号的改变量不超出预定的阈值，就不发生采样和转换行为。该结构的ADC能实现功耗随输入信号活跃程度降低而显著降低的效果。但是这种ADC对信号是非等间隔采样的，这大大增加了后续数字信号处理模块(DSP)的处理难度和开销。这种ADC还容易受到信号斜率过载的影响，并且连续时间比较器的使用增大了其静态功耗；

采用低位优先判别逻辑的SAR ADC是另一种适用于生理信号处理场景的ADC。传统的电荷重分配型逐次逼近(SAR)ADC结构如图1所示，它由一个差动的二进制开关电容阵列、采样开关、比较器和SAR控制逻辑组成。在对信号采样完成后，SAR逻辑电路根据比较器的比较结果得到最高有效位(MSB)的值，再根据MSB的值开始切换相应电容下极板的基准电压，再进行比较得到次高有效位的值。以此类推，这种ADC以这种逐次逼近的方式从高到低完成ADC每一位的转换。由于不依赖于运放等高性能的模拟电路，SARADC具有明显的低功耗优势，因而广泛应用于各种低功耗系统。如图4为常见的低位优先判别逻辑电路示意图，针对于输入信号活跃程度低的情况下，ADC的高位基本处于无需电容切换的状态，因而通过算法从低位向高位寻找到需要切换的最高位，仅将该位即其低位对应电容作开关切换，避免了高位的电容切换功耗，有效地降低了ADC的转换功耗，并且在活跃程度非常低地情况下，每个转换周期所需的时间也能大大缩短。

另一方面电荷重分配型逐次逼近(SAR)ADC以其拥有中等分辨率和带宽，逐渐成为在工业应用中占据优势。然而当分辨率达到10位或以上时，SAR ADC的电容总值会相应指数级地增长，芯片功耗随之大大增加，同时电容失配问题又反过来限制了SAR ADC在高精度下的优势。而ΣΔ正好可以弥补SAR ADC高精度应用下的缺陷，但是其缺点是需要过采样，从而使得带宽被限制较低，同时由于采用了高性能运放实现积分器，其功耗通常相比SAR ADC较大。以图2为例，噪声整形SAR ADC巧妙地结合了上述两种ADC的优势，通过将ΣΔ原本的低位量化器改为使用SAR ADC做量化，用较小的过采样率和有源或无源环路滤波器，在损失一部分带宽的情况下达到更高的信噪比，还延续了SAR ADC的低功耗特性。目前已有的噪声整形SAR ADC主要分为CIFF(级联积分器和分布式前馈)和EF(误差反馈)两大类结构，其中CIFF结构的噪声整形SAR ADC的比较器电路通常需要至少添加一对输入晶体管用于DAC电压和转换余量电压的求和，额外的晶体管会引入额外的热噪声和回踢噪声。而已出现的EF结构的噪声整形SAR ADC只需要一个单输入对的比较器，然而其缺点是采样到DAC电容上的电荷会与余量电容产生电荷分享造成衰减，所以在余量电容较小时，需要有源的余量放大器来提高信号幅值来产生陡峭的噪声传递函数(NTF)曲线，达到预期的噪声整形效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种前馈式无源噪声整形逐次逼近型模数转换器，能够降低信号的模数转换功耗。