[发明专利]逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法

摘要

本发明公开一种逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法，根据神经信号的幅值特性分析，确定了在信号非活跃期间，其幅值大部分可以落在16LSB的窗口内，因此通过设置这个判断窗口可以屏蔽信号非活跃期间SAR ADC的高位冗余转换；在信号活跃时，其幅值变化超过16LSB，ADC从高位开始转换，克服了输入追踪SAR ADC结构需要限制输入信号幅度的问题。本发明设计的增量采样SAR ADC为全差分结构，可以有效抑制共模干扰，抑制偶次谐波，提高ADC转换的精度，克服了单端结构共模扰动大、偶次谐波噪声明显的问题。同时，相比于单端增量采样结构，全差分结构的信号转换范围也扩大了一倍，有效地拓宽了输入信号的范围。

主权项

逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法，其特征在于，包括以下步骤：1)当采样控制信号SAMPLE信号为“1”时，进入采样阶段，此时采样开关闭合，电容阵列上极板跟随输入信号变化；电容阵列下极板从高位到低位根据前次量化结果D[9:1]分别接到VDD或者GND；当D[0]为1时，P型电容阵列中的C0接到VCM，N型电容阵列中的C0接到GND；当D[0]为0时，P型电容阵列中的C0接到GND，N型电容阵列中的C0接到VCM；在采样结束时，电容阵列上极板电荷量表达式为：Qp=VIP·CT-(Σi=19(D[i]·2i-1C0)·VDD+D[0]·C0·VDD2)---(3)]]>Qn=VIN·CT-(Σi=19(D[i]‾·2i-1C0)·VDD+D[0]‾·C0·VDD2)---(4)]]>其中CT为单端电容阵列的和；2)采样结束后，进入保持状态，采样开关断开，电容开关控制电容阵列下极板全部接到VCM，此时电容阵列上极板的电荷量表达式为：Qp＝(Vp‑VCM)·CT  (5)Qn＝(Vn‑VCM)·CT  (6)令(3)(5)和(4)(6)式分别相等，得到在采样结束时电容阵列上极板电压表达式：Qp=VIP-(Σi=19D[i]·2i-1C0CT·VDD+D[0]·C0CT·VDD2)+VCM=VIP-VIP′+VCM---(7)]]>Vn=VIN-(Σi=19D[i]‾·2i-1C0CT·VDD+D[0]‾·C0CT·VDD2)+VCM=VIN-VIN′+VCM---(8)]]>由(7)(8)式相减得到差分采样得到的差值信号为：Vp‑Vn＝(VIP‑VIN)‑(V′IP‑V′IN)  (9)其中，VIP‑VIN为本次差分采样电压值，V′IP‑V′IN为前次差分采样量化结果值；3)保持相位结束后判断差分采样增量电压值的符号和大小：如果增量电压为正，电容开关将P端C5电容的下级板接到GND，N端C5电容的下级板接到VDD，此时电容阵列上极板电压差值为：Vp-Vn=(VIP-VIN)-(VIP′-VIN′)-132VDD---(10)]]>所述全差分增量采样方法采用全查分采样，采样信号满幅度为2VDD，量化精度为10bit，因此一个量化台阶LSB为VDD/512；如果比较器的比较结果为“1”，表示正的增量电压值大于1/32VDD，即16LSB，超出了低4位的编码范围，下一步从最高位C9电容开始转换：将C5电容的下级板接回VCM，P端的C9电容的下级板接到GND，N端的C9电容的下级板接到VDD，比较器判断正的增量电压值是否大于1/2VDD，如果大于1/2VDD则P端的C8下极板从VCM接到GND且N端的C8下极板从VCM接到VDD，判断增量电压值是否大于3/4VDD，反之如果小于1/2VDD则P端的C8下极板从VCM接到VDD且N端的C8下极板从VCM接到GND，判断增量电压值是否大于1/4VDD，后续转换原理同上直到所有位数转换完成；如果比较结果为“0”，表示正的增量电压小于1/32VDD，直接进行下一步C4电容的转换：将P端的C4电容的下级板接到VDD，N端的C4电容的下级板接到GND，判断正的增量电压是否大于1/64VDD，如果大于1/64VDD则P端的C3下极板从VCM接到GND且N端的C3下极板从VCM接到VDD，判断增量电压是否大于3/128VDD，反之如果小于1/64VDD则P端的C3下极板接到VDD且N端的C3下极板接到GND，判断增量电压是否大于1/128VDD，后续转换原理同上直到所有位数转换完成；如果增量电压为负值，将P端C5电容的下级板接到VDD，N端C5电容的下级板接到GND；如果比较结果为“0”，表示负的增量电压值大于1/32VDD，下一步需要从C9电容开始转换，如果比较结果为“1”，表示负的增量电压值小于1/32VDD，屏蔽高4位的转换，下一步从C4电容进行转换，直到转换结束；4)步骤3)中正的增量电压的转换编码值通过10位加法器加到前次转换的量化编码值上，得到本次差分量VIP‑VIN的量化编码值；步骤3)中负的增量电压的转换编码值通过10位加法器从前次转换的量化编码值中减去，得到本次差分量VIP‑VIN的量化编码值；5)待所有的转换步骤完成，本次转换结束，逐次逼近型模数转换器进入到待机状态，等待下一个SAMPLE信号高电平的到来，进行下一次的采样转换；电容阵列的P型电容阵列和N型电容阵列完全相同，均包括10个电容C0‑C9；每部分电容阵列电容大小按照2的指数次幂排列，即Ci＝2i‑1C0 1≤i≤9  (2)其中Ci代表第i个电容的大小，C0代表单位电容；电容阵列最末尾的电容C0作为权重电容，不参与转换；P型电容阵列的所有电容的上极板连接比较器的正输入端；N型电容阵列的所有电容的上极板连接比较器的负输入端；外部输入信号VIP通过第一采样开关连接比较器的正输入端；外部输入信号VIN通过第二采样开关连接比较器的负输入端；P型电容阵列和N型电容阵列中每个电容的下级板由电容开关Spi和Sni控制其连接到参考电平VDD、共模信号VCM或GND，其中VCM＝0.5VDD；Vp为比较器的正输入端电压，Vn为比较器的负输入端电压。