[发明专利]一种模数转换器及其操作方法

说明书

本发明公开了一种模数转换器及其操作方法。该模数转换器的一个变换帧中包括多个子周期，且在每个子周期至少执行如下操作：残余电荷储存阶段、积分阶段、电荷再转移阶段以及SAR变换阶段，其中，所述模数转换器包括电容型数模转换器和辅助电容，该辅助电容配置为在残余电荷储存阶段存储上一子周期由电容型数模转换器产生的残余电荷，在积分阶段与电容型数模转换器的权电容阵列共同对输入电流信号进行积分，以及在电荷再转移阶段将当前子周期的积分电荷转移至权电容阵列，保证了模数转换器在整个变换帧中对输入电流信号连续积分，提高了时间利用率和信噪比。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，更具体地涉及一种模数转换器及其操作方法。

背景技术

模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)是能够将连续性的模拟信号转换为计算机能够处理的离散性的数字信号的装置，是模拟系统与数字系统接口的关键部件，长期以来一直被广泛应用于雷达、通信、测控、医疗、仪表、图像和音频等领域。随着现代技术的不断发展，这些领域对速度和分辨率的要求不断提升，对模数转换器的要求也越来越高。

目前，模数转换器主要分为两大类：奈奎斯特模数转换器和过采样模数转换器。奈奎斯特模数转换器中最具代表性的种类之一就是逐次逼近型模数转换器(SuccessiveApproximation Register ADC，SAR ADC)。SAR ADC主要采用数字逻辑单元结构，如图1所示，SAR ADC100包括采样保持电路110、寄存比较器120、SAR逻辑控制电路130和电容型数模转换器(ADAC)140。采样保持电路110根据采样时钟对模拟输入信号Vin进行采样，并提供至寄存比较器120，寄存比较器120将该模拟输入信号Vin与电容型数模转换器140产生的模拟电压量进行比较，SAR逻辑控制电路130根据寄存比较器120的比较结果产生逻辑控制信号，反馈控制电容型数模转换器140产生新的模拟电压量去逼近模拟输入信号，直到该模拟电压量与模拟输入信号近似相等时，该模拟电压量对应的数码输出为SAR ADC100的输出Dout。SAR ADC的结构简单且具有较高的功效和速度，但是由于比较器噪声和DAC建立误差的存在，SAR ADC的精度一般被限制在8～12bits范围内，因此SAR ADC广泛应用于中等速度和中等精度的领域。

过采样模数转换器应用最为广泛的是Σ-ΔADC，其结构框图如图2所示，Σ-ΔADC200包括Σ-Δ调制器和数字滤波和抽取电路250，Σ-Δ调制器包括加法器210、积分器220、寄存比较器230，以及包含1位DAC240的反馈环路(该DAC为简单开关，将差分放大器的负输入端接正或负基准电压)，反馈DAC的目的是将积分器的平均输出维持在接近比较器的基准电平。Σ-Δ调制器以极高的抽样频率对输入信号Vin进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的1位数据流，然后由数字滤波和抽取电路250进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号Dout。过采样和噪声整形技术是Σ-Δ调制器中应用的两个关键技术，它们分别将带内的噪声降低和移除，能够大大提高模数转换器的精度。但是1位的量化器抑制量化噪声所需的高过采样比，这限制了转换速度；另一方面，可利用过采样技术提高奈奎斯特ADC(如SAR ADC和流水线ADC)的动态范围、信噪比等性能，利用这些ADC高速的特性也可实现过采样，但其噪声整形能力缺乏，不能满足高信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模数转换器及其操作方法，可以同时兼顾模数转换器的分辨率和变换速度。