[发明专利]一种基于预测方式的免复位分段式模拟数字转换器

权利要求书

1.一种基于预测方式的免复位分段式模拟数字转换器，其特征在于：包括DAC模块（100）、比较器（101）、预测判断模块（102）和逐次逼近模块（103）；

所述DAC模块（100）为全差分结构，由高位预测量化电容阵列、冗余电容和低位量化电容阵列构成，且所有电容的上极板均连接到比较器（101）的输入端；差分输入信号VIP和VIN分别连接DAC模块（100）的P端和N端，再分别接到比较器（101）的正负输入端，完成输入信号的采样；

其中两组高位预测量化电容阵列均包括N-4个量化电容按容值由低到高依次编号为C₂、C₃、……、C_N-3，N≥5，对应的量化电容容值由低到高为2C_U、4C_U、……、2^N-4C_U；高位预测电容阵列的各量化电容的下极板分别一一对应的通过高位预测开关控制端S₂、S₃……、S_N-3连接共模电压VCM、参考高电压VREF或参考地电压GND；

冗余电容C_R容值为2C_U，其下极板通过高位预测开关控制端S_R连接共模电压VCM、参考高电压VREF和参考地电压GND；

低位量化电容阵列包括两个单位电容C₁和C₀，C₁和C₀的容值为C_U，C₁和C₀的下极板分别通过低位量化开关控制端S₁、S₀连接共模电压VCM、参考高电压VREF和参考地电压GND，并且C₁和C₀通过S₁、S₀连接4个电阻R分压得到的3/4VREF和1/4VREF；

所述比较器（101）完成DAC电容阵列差分输出电压比较，比较器（101）的输入端连接DAC模块（100）中电容阵列的上极板，比较器（101）的输出端连接预测判断模块（102）和逐次逼近模块（103）的输入端；

共模电压VCM、参考高电压VREF和参考地电压GND均为整个免复位分段式模数转换器的参考电压，且共模电压VCM的电压值为参考高电压VREF电压值的一半；其中C₁和C₀通过4个电阻R分压得到的分段参考电压3/4VREF和1/4VREF为整个免复位分段式模数转换器低三位转换时的参考电压；

所述预测判断模块（102）根据比较器（101）的比较结果控制高位预测开关控制端S₂、S₃……、S_N-3，以预测方式完成高位预测电容阵列电容的切换，并产生中间过程码字和修正码字，用于修正高N-3位码字输出，最终输出高N-3位码字DN:4；

所述逐次逼近模块（103）根据比较器（101）的比较结果控制低位量化开关控制端S₁、S₀，以逐次逼近的方式完成低位量化电容阵列电容的切换，最终输出低3位码字D3:1；整个免复位分段式模数转换器的输出码字由高位码字和低位码字拼接形成，即DN:1。

2.如权利要求1所述基于预测方式的免复位分段式模拟数字转换器，其特征在于：所述比较器（101）采用StrongARM比较器。

3.如权利要求1所述基于预测方式的免复位分段式模拟数字转换器，其特征在于，具体量化方法：包括免复位量化高位码字和分段式量化低位码字；

步骤1、免复位量化高位码字为：

步骤1-1、首先将免复位分段式模数转换器上电复位，DAC模块进行采样：所有电容上极板接输入信号，高位预测量化电容阵列C₂、C₃、……、C_N-3的下极板通过高位预测开关控制端S₂、S₃……、S_N-3连接上一个采样点高N-4位输出码字对应的参考电压，即码字为0则连接参考地电压GND，码字为1则连接参考高电压VREF，上一次高N-4位输出码字统称为load码字；DAC模块（100）的低位量化电容以及冗余电容下极板通过开关控制端S_R、S₁和S₀连接共模电压VCM；

采样结束后，将DAC模块（100）中所有电容的上极板与输入信号VIP和VIN均断开，下极板均连接到共模电压VCM；比较器（101）对DAC模块（100）中所有电容的上极板差分电压进行第一次比较并产生第一个比较结果d₁；

步骤1-2、根据第一个比较结果d₁来切换冗余电容C_R，冗余电容C_R的切换方式有：如果比较结果为1，说明DAC模块（100）的P端电压大于N端电压，则P端冗余电容C_R由参考电压VCM切换至参考电压GND，而N端冗余电容C_R由参考电压VCM切换至参考电压VREF；如果比较结果为0，说明DAC模块（100）的P端电压小于N端电压，则P端冗余电容C_R由参考电压VCM切换至参考电压VREF，而N端冗余电容C_R由参考电压VCM切换至参考电压GND；切换之后，比较器（101）将进行第二次比较，得到第二个比较结果d₂；

步骤1-3、预测判断模块（102）对d₁和d₂这两次比较结果进行判断：

若两次比较结果不同，则输入信号处于load码字所在的预测区间中，码字D’N:4可以确定，即完成高位码字量化；其中，高N-4位码字为load码字，第4位码字D’4为第二次比较结果d₂；

反之，若两次比较结果相等，说明输入信号处在预测区间之外，预测判断模块（102）根据比较结果d₂按照所述冗余电容C_R切换方式继续切换预测电容阵列中电容C₃，产生第三次比较的参考电压，比较器（101）进行第三次比较并产生第三个比较结果d₃；同时预测判断模块（102）根据第二次比较结果d₂产生第一个N-4位过程码字00...01用于更新load码字，具体load码字更新方式为：比较结果为1，则load码字加上当前过程码字；比较结果为0，则load码字减去当前过程码字；

步骤1-4、预测判断模块（102）比较第三次比较结果d₃与前两次比较结果的异同：

若d₃ ≠d₂，则说明输入信号位于动态追踪范围内，预测判断模块（102）根据比较结果d₃按照所述冗余电容C_R切换方式切换量化电容C₂，得到第四次比较结果d₄，高位码字D’N:4量化结束；其中，高N-4位码字为修正后的load码字，第4位码字D’4为第四次比较结果d₄；

若d₃=d₂，则说明输入信号在动态追踪范围之外，此时预测判断模块（102）产生第二个过程码字00...010，下一过程码字是在上一过程码字的基础上将逻辑1向高位左移一位得到，load码字根据所述码字更新方式加上或减去第二个过程码字进行更新，且预测判断模块（102）根据比较结果d₃按照所述冗余电容C_R切换方式切换量化电容C₄，比较器（101）进行第四次比较，得到第四次的比较结果d₄；

步骤1-5、若d₄≠d₃，即第四次比较结果与前三次不同，说明输入信号在动态追踪范围之外，此时预测判断模块（102）产生第三个过程码字00...01，下一过程码字是在上一过程码字的基础上将逻辑1向低位右移一位得到，load码字根据所述码字更新方式加上或减去当前过程码字进行更新，且预测判断模块（102）根据量化电容C₃当前状态进行回切；若C₃当前状态为连接参考电压VERF，则将其由参考电压VREF回切至参考电压VCM，若C₃当前状态为连接参考电压GND，则将其由参考电压GND回切至参考电压VCM再进行第五次比较，得到第五次比较结果d₅；

步骤1-6、预测判断模块（102）根据比较结果d₅按照所述冗余电容C_R切换方式切换量化电容C₂，得到第六次的比较结果d₆，高位码字D’N:4量化结束；其中，高N-4位码字为更新后的load码字，第4位码字D’4为第六次比较结果d₆；

类似的，若d₄=d₃，即第四次比较结果与前三次相同，说明输入信号在动态追踪范围之外，此时预测判断模块（102）在上一过程码字的基础上将逻辑1向高位左移一位产生下一过程码字， load码字根据所述码字更新方式加上或减去当前过程码字进行更新，且预测判断模块（102）根据本次比较结果按照所述冗余电容C_R切换方式切换高一位量化电容，得到下一次的比较结果；

步骤1-7、若后续比较周期产生的相邻两次比较结果仍然相同，则预测判断模块（102）继续在上一过程码字的基础上将逻辑1向高位左移一位产生下一过程码字，load码字根据所述码字更新方式更新，且预测判断模块（102）根据最后一次比较结果按照所述冗余电容C_R切换方式切换更高一位量化电容，直至比较结果反转；此时，预测判断模块（102）在上一过程码字的基础上将逻辑1向低位右移一位产生当前过程码字，load码字根据所述码字更新方式加上或减去当前过程码字进行更新，且预测判断模块（102）根据前次比较结果按照所述冗余电容C_R切换方式从高到低切换量化电容，直至量化电容C₂完成切换，高位量化结束；

步骤1-8、最终的输出码字的高N-4位D’N:5通过预测判断模块（102）产生修正码字00...01进行码字修正，使得最终输出码字的第四位码字D4与D’4相同；若采样完成后第一次比较的结果d₁与切换量化电容C₃后的比较结果相同且为0时，高N-4位最终的输出码字需减去修正码字00...01，即DN:5=D’N:5+00...01；若采样完成后第一次比较的结果与切换量化电容C₃后的比较结果相同且为1时，高N-4位最终的输出码字需加上修正码字00...01,即DN:5=D’N:5-00...01；若采样完成后第一次比较的结果与切换量化电容C₃后的比较结果不同，则高N-4位最终的输出码字不需要修正；

步骤2、分段式量化低位码字为：

分段式量化低位码字根据第4位码字D4的结果，低位量化电容阵列由共模电平VCM切换至1/4VREF或3/4VREF上；

若D4为1，则DAC模块（100）的P端低位量化电容阵列由共模电平VCM切换至参考电压1/4VREF，DAC模块（100）的N端低位量化电容阵列由共模电平VCM切换至参考电压3/4VREF；

若D4为0，则DAC模块（100）的P端低位量化电容阵列由共模电平VCM切换至参考电压3/4VREF，DAC模块（100）的N端低位量化电容阵列由共模电平VCM切换至参考电压1/4VREF；

步骤2-1、切换完成后，比较器（101）进行比较得到数字码字D3；

如果D3为1；若当前P端量化电容C₁连接参考电压1/4VREF，则P端量化电容C₁由参考电压1/4VREF切换至参考电压GND，N端量化电容C₁由参考电压3/4VREF切换至参考电压VREF；若当前P端量化电容C₁连接参考电压3/4VREF，则P端量化电容C₁由参考电压3/4VREF切换至参考电压VCM，N端量化电容C₁由参考电压1/4VREF切换至参考电压VCM；

如果D3为0；若当前P端量化电容C₁连接参考电压1/4VREF，则P端量化电容C₁由参考电压1/4VREF切换至参考电压VCM，N端量化电容C₁由参考电压3/4VREF切换至参考电压VCM；若当前P端量化电容C₁连接参考电压3/4VREF，则P端量化电容C₁由参考电压3/4VREF切换至参考电压VREF，N端量化电容C₁由参考电压1/4VREF切换至参考电压GND；

步骤2-2、再次切换完成后，比较器（101）进行比较得到数字码字D2；

如果D2为1，若P端量化电容C₀连接参考电压1/4VREF，则P端量化电容C₀由参考电压1/4VREF切换至参考电压GND，N端量化电容C₀不切换；若P端量化电容C₀连接参考电压3/4VREF，则P端量化电容C₀由参考电压3/4VREF切换至参考电压VCM，N端量化电容C₀不切换；

如果D2为0，若P端量化电容C₀连接参考电压1/4VREF，则P端量化电容C₀由参考电压1/4VREF切换至参考电压VCM，N端量化电容C₀不切换；若P端量化电容C₀连接参考电压3/4VREF，则P端量化电容C₀由参考电压3/4VREF切换至参考电压VREF，N端量化电容C₀不切换；

步骤2-3、此次切换完成后比较器（101）进行比较得到数字码字D1，最终逐次逼近模块（103）打出低位数字码字D3:1。