[实用新型]一种单端输入的低温漂数据转换器和数据读出电路

说明书

本实用新型公开了一种单端输入的低温漂数据转换器和数据读出电路，本实用新型的数据转换器的负向输入端由N个单位电容构成，用于直接接收前端放大器输出的单端电压信号；所述数据转换器的正向输入端由N个单位电容构成，用于采集参考电压VREFN和参考电压VREFP，其中，M个接参考电压VREFP，N‑M个接参考电压VREFN，M和N均为正整数且MN。相较于传统全差分结构需要全差分结构放大器插在前端电荷放大器与ADC之间，本实用新型可直接采样前端电荷放大器输出，降低了芯片面积和功耗；也避免低噪声全差分结构放大器的设计。同时引入CDS与CHOP方案可提供较只有CDS功能的ADC有更低的温漂特性。

技术领域

本实用新型涉及数字转换技术领域，具体涉及一种单端输入的低温漂数据转换器和数据读出电路。

背景技术

常见传感器如：压力传感器，光电传感器，电容触控传感器等感应自然界信号，并输出电流/电压信号。前端信号处理电路常采用前端电荷/电压放大器放大微弱电流/电压信号。大部分传感器输出单端信号，即前端电荷/电压放大器输出单端电压信号；后端ADC采样前端电荷放大器输出，并转换为相应数字输出。

传感器类信号输出常为直流值，即要求前端AFE有较低flicker噪声，有较低温漂特性。前端电荷放大器一般采用CDS方案降低自身flicker噪声以及失调电压的影响；ADC一般采用CDS或CHOP方案降低自身flicker噪声以及失调电压的影响。一般用于传感器高精度数据转化的ADC结构如增量型delta sigma ADC；SAR ADC。而Delta sigma ADC自身的过采样特性，可将前端电荷放大器噪声衰减OSR^0.5倍(OSR为过采样率)，可将delta sigma ADC中前端积分器噪声衰减降低OSR^0.5倍；可将采样电容热噪声降低OSR^0.5倍；所以此结构ADC常常用于传感器信号链路。常见AFE链路如图1所示。

现有数据转换器(ADC)面临的问题：

增量型delta sigma ADC中积分器输出摆幅常随输入信号增加而增加，即ADC转换功耗与输入信号相关，如图2所示一二阶调制器所示内部积分器输出摆幅随输入增加而增加。如前端电荷放大器输出摆幅0.5V-2.5V，对应ADC参考电压范围0.5V-2.5V；当单端结构ADC输入接近0.5V时，其内部积分器输出摆幅较低；当单端结构ADC输入接近2.5V时，其内部积分器输出摆幅接近2V(超过0.5V之后，随着单端结构ADC输入的增大，内部积分器输出摆幅显著增大)；这在芯片集成多通道AFE时，会引入通道串扰。同时单端结构ADC不像全差分结构那样拥有较强共模抑制性能，无法抑制开关电荷注入/电源噪声的影响，当温度变化时，开关电荷注入量也随之变化；电源噪声到ADC积分器输出的增益同样随温度变化而变化；即单端结构ADC输出数据温漂较大，不利于直流信号的精准测量。采用全差分结构ADC可降低对运放摆幅的要求，也可在很大程度上抑制各种共模噪声源的干扰；但是常需要在前端放大器和ADC之间插入一个单转差放大器，图3所示。单转差放大器的插入增加了信号链路功耗和噪声，也增加了芯片面积。以16位，采样频率8MHz ADC为例，单转差放大器输出驱动ADC采样电容，且需要在ADC采样结束前达到16位建立精度；ADC采样电容的大小由ADC需要达到的SNR(信噪比)决定。如ADC SNR大于96dB，过采样40倍情况下，采样电容大致3pF以上。综上所诉，单转差放大器(单位增益情况下反馈系数小于0.5)需要提供跨导gm3ms,增益gain100dB以满足16位建立精度的要求；根据简单计算，运放输入级大致需要300uA以上的电流可实现gm3ms的要求，考虑到增益和输出摆幅，此运放采用gainboost电路或采用两级结构，进一步增加运放电流。从噪声角度来看，单转差运放提供单位增益，其反馈系数小于0.5，即运放噪声被放大2倍后再被ADC采集，运放噪声与自身结构，采样等效负载电容有关，即使在3pF负载下，由运放自身引入的输出噪声大于50uV，这对高精度AFE链路来说时极其不利的。

实用新型内容