一种用于测量高速动态比较器热噪声的系统及方法与流程

本发明涉及集成电路技术领域，具体而言涉及一种用于测量高速动态比较器热噪声的系统及方法。

背景技术：

模数转换器(adc)中最重要的参数指标就是信噪比(snr)，要提高这个指标，就必须尽可能的降低所有的噪声源产生的噪声。在高速异步逐次逼近寄存器型模数转换器应用中，常见的噪声有：动态比较器的噪声，电容失配造成的系统噪声、电容的热噪声(kt/c噪声)、量化噪声等。其中，前两个噪声的大小跟电路、版图、工艺都相关，所以即使在器件热噪声模型完善的前提下，简单的前仿真、后仿真都不能够预测出真实情况。因此，如果能将adc中关键的模块拆解下来，并独立测试分析，这样就不会出现某个模块过设计或者成为瓶颈的情况。

然而，对于高速动态比较器的热噪声，一般的通用型噪声测量仪器无法直接测量，这是因为高速动态比较器电路有以下几个特殊的地方：a.离散性，高速动态比较器有时钟参与，而一般测量仪器都是连续性的；b.速度高，高速动态比较器为高速电路，通常测量仪器的工作速度要求比待测仪器的速度更高；c.高速动态比较器输出只有高低电平，一般测量仪器需要输出为模拟电压。

因此，有必要提出一种用于测量高速动态比较器热噪声的系统和方法，以解决现有的技术问题。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要 试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种用于测量高速动态比较器热噪声的系统，其包括：

信号预处理模块，其接收测量用第一激励信号和第二激励信号，所述第一激励信号经由所述信号预处理模块输出至所述高速动态比较器的第一输入端，并且所述第二激励信号经由所述信号预处理模块输出至所述高速动态比较器的第二输入端；

逻辑分析仪，其采集所述高速动态比较器的输出信号，以基于所采集的信号进行分析。

示例性地，所述信号预处理模块包括由多个电阻构成的分压电路，所述第一激励信号经由所述分压电路输出至所述高速动态比较器的第一输入端。

示例性地，所述分压电路由第一电阻和第二电阻串联构成。

示例性地，所述信号预处理模块包括第一低通滤波电路和第二低通滤波电路，所述第一激励信号经由所述第一低通滤波电路输出至所述高速动态比较器的第一输入端；所述第二激励信号经由所述第二低通滤波电路输出至所述高速动态比较器的第二输入端。

示例性地，所述第一低通滤波电路由第一电阻、第二电阻和第一电容构成；所述第二低通滤波电路由第三电阻和第二电容构成。

示例性地，基于所采集的信号进行分析包括，基于所述高速动态比较器所输出的高电平和低电平的比例进行分析。

示例性地，基于所采集的信号进行分析包括，对所述高速动态比较器所输出的高电平占总输出的比例值进行分析。

示例性地，对所述高速动态比较器所输出的高电平占总输出的比例值进行分析包括，进一步统计所述高速动态比较器所输出的高电平占所述总输出的比例和激励信号之间的关系。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于测量高速动态比较器热噪声的方法，其包括：

将测量用第一激励信号和第二激励信号输入至信号预处理模块，以使得所述第一激励信号经由所述信号预处理模块输出至所述高速 动态比较器的第一输入端，并且所述第二激励信号经由所述信号预处理模块输出至所述高速动态比较器的第二输入端；

利用逻辑分析仪采集所述高速动态比较器的输出信号，以基于所采集的信号进行分析。

示例性地，所述信号预处理模块包括由多个电阻构成的分压电路，所述第一激励信号经由所述分压电路输出至所述高速动态比较器的第一输入端。

示例性地，所述分压电路由第一电阻和第二电阻串联构成。

示例性地，所述信号预处理模块包括第一低通滤波电路和第二低通滤波电路，所述第一激励信号经由所述第一低通滤波电路输出至所述高速动态比较器的第一输入端；所述第二激励信号经由所述第二低通滤波电路输出至所述高速动态比较器的第二输入端。

示例性地，所述第一低通滤波电路由第一电阻、第二电阻和第一电容构成；所述第二低通滤波电路由第三电阻和第二电容构成。

示例性地，基于所采集的信号进行分析进一步包括，基于所述高速动态比较器所输出的高电平和低电平的比例进行分析。

示例性地，基于所采集的信号进行分析进一步包括，对所述高速动态比较器所输出的高低电平占总输出的比例值进行分析。

示例性地，对所述高速动态比较器所输出的高低电平占总输出的比例值进行分析包括，进一步统计所述高速动态比较器所输出的高电平占所述总输出的比例和激励信号之间的关系。

综上所述，本发明的用于测量高速动态比较器热噪声的系统和方法电路结构简单并易于操作，利用滤波电路滤除测试信号本身引入的噪声，从而提高了测试结果的准确性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的电路图；

图3示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100中，高速动态比较器输出的高电平所占比例和输入信号之间的曲线图；

图4示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的方法200的流程图；

图5示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的方法200的，高速动态比较器输出的高电平所占比例和输入信号之间的仿真结果图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、 区、层或部分。

空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构以及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

如上所述，对于高速动态比较器的热噪声，一般的通用型噪声测量仪器无法直接测量。目前提出了将测试信号直接输入至高速动态比较器的输入端，然后在比较器的输出处测量比较器输出平均频率的技术方案。然而，针对高速动态比较器输出频率的测量和分析相对复杂。

鉴于上述问题的存在，本发明提供一种用于测量高速动态比较器热噪声的系统及方法，下面结合图1-图5对本发明的用于测量高速动态比较器热噪声的系统及方法进行详细说明。

实施例一

参考图1对本发明的用于测量高速动态比较器热噪声的系统进 行说明。图1示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的示意图。

如图1所示，用于测量高速动态比较器热噪声的系统100可以包括信号预处理模块101、高速动态比较器102和逻辑分析仪103。

其中，信号预处理模块101接收测量用第一激励信号vi和第二激励信号vcm，随后第一激励信号vi经由信号预处理模块101输出至高速动态比较器102的输入端a，并且第二激励信号vcm经由信号预处理模块101输出至高速动态比较器102的输入端b。

如图1所示，测量用于激励信号vi和vcm不是直接输入至高速动态比较器102的输入端a和输入端b，而是经过了的信号预处理模块101输出至高速动态比较器102。示例性地，信号预处理模块101可以包括电阻和电容的网络。信号预处理模块101可以滤除信号源本身引入的噪声，从而提高最终测试结果的准确性。

高速动态比较器102接收信号预处理模块101的输出信号，并且将输入端a和输入端b的信号进行比较以输出比较结果。

逻辑分析仪103采集高速动态比较器102的输出信号，以随后基于所采集的信号进行分析。示例性地，逻辑分析仪103可以记录高速动态比较器102所输出的高电平和低电平信号。随后可以基于逻辑分析仪103所记录的高电平和低电平信号进行统计分析。示例性地，可以将逻辑分析仪103所记录的数据输出至诸如服务器、台式电脑、笔记本电脑等计算机设备以进行统计分析。

根据本发明实施例，高速动态比较器102输出信号的采集直接使用逻辑分析仪103，而不需要额外的频率分析电路等其他复杂电路结构。使用逻辑分析仪103简化了电路并且使得测试分析更加便捷而高效。

根据本发明的另一个实施例，信号预处理模块101可以包括由多个电阻构成的分压电路，第一激励信号vi经由分压电路输出至高速动态比较器102的第一输入端a。

信号预处理模块101中包括多个电阻构成的分压电路可以降低对信号源的精度要求，从而降低测试的难度。

下面结合图2说明根据本发明一个实施例的、用于测量高速动态比较器热噪声的系统100中各个模块的具体结构。图2示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的电路图。

如图2所示，用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的信号预处理模块101包括由多个电阻和多个电容的构成的无源网络。

根据本发明的实施例，信号预处理模块101可以包括第一低通滤波电路和第二低通滤波电路。第一激励信号vi经由第一低通滤波电路输出至高速动态比较器102的第一输入端a；第二激励信号vcm经由第二低通滤波电路输出至高速动态比较器102的第二输入端b。

根据本发明的实施例，第一低通滤波电路可以由第一电阻r1、第二电阻r2和第一电容c1构成。其中第一电阻r1的一端连接至第一激励信号vi，另一端连接至第一电容c1和第二电阻r2；并且，第一电阻r1、第二电阻r2和第一电容c1的共同连接点连接至高速动态比较器102的第一输入端a。

第二低通滤波电路由第三电阻r3和第二电容c2构成。其中第三电阻r3的一端连接至第二激励信号vcm，并且另一端连接至第二电容c2和高速动态比较器102的第二输入端b。

示例性地，第一低通滤波电路中的第一电阻r1和第二电阻r2构成的电路可以实际上起到分压的作用，第一激励信号vi输入至该分压电路，可以降低对信号源的精度要求。

高速动态比较器102接收信号预处理模块101的输出信号，并且随后可以将输入端a和输入端b的输入信号进行比较以输出比较结果。

逻辑分析仪103接收高速动态比较器102的输出信号，并随后基于所采集的信号进行分析。逻辑分析仪103可以为本领域通用的逻辑分析仪。另外，本领域技术人员应该理解，可以采用任何本领域技术上可行的逻辑分析仪来实现本发明。

根据本发明实施例，逻辑分析仪103可以记录高速动态比较器102所输出的高电平和低电平信号。随后可以基于逻辑分析仪103所记录的高电平和低电平信号进行统计分析。示例性地，诸如服务器、台式电脑、笔记本电脑等计算机设备可以基于逻辑分析仪103的记录 数据来对高速动态比较器102所输出的高电平占总输出的比例值进行分析。

可知，根据本发明实施例，统计高速动态比较器102的输出信号时，并非采用频率分析的方式，而是直接分析其输出信号的高电平的占比。

示例性地，可以统计输出高电平占总输出的比例值。如本领域已知的，当高速动态比较器102的输入信号vi远低于vcm时，其输出信号恒定为低；当输入信号vi与vcm接近时，其输出高电平与低电平的比例相当；当输入信号vi远高于vcm时，其输出全部为高电平。

综上，高速动态比较器102输出信号的采集直接使用逻辑分析仪103可以简化电路并且使得分析更加方便，而不需要额外的频率分析电路等其他复杂电路结构。

进一步，根据本发明实施例，基于所采集的信号进行分析可以进一步包括，诸如服务器、台式电脑、笔记本电脑等计算机设备基于逻辑分析仪103的记录数据来统计高速动态比较器102所输出的高电平占总输出的比例与激励信号vi和vcm之间的关系。

示例性地，可以利用诸如服务器、台式电脑、笔记本电脑等计算机设备，对高速动态比较器102所输出的高电平占总输出的比例和第一激励信号vi与第二激励信号vcm的差vdiff之间的关系进行统计。

图3示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100中，高速动态比较器102输出的高电平所占比例和输入信号之间的曲线图。

如本领域技术人员所知，比较器的热噪声电压并不是一个固定的值，每次比较时的都不一样，因此不能简单的用一个电压值来表示，但其基本满足正态分布(也称为高斯分布)的规律。服从正态分布是因为比较器的热噪声电压是由大量小的随机事件产生的。

正态分布是描述振幅分布的概率密度函数，其具有两个参数，即均数μ和标准差σ，可记作n(μ，σ)。正态分布围绕均数u左右分布，并且左右对称。并且，在正态分布曲线下，横轴区间(μ-σ，μ+σ) 内的面积大约为68.4％。

示例性地，如果将图2中的高速动态比较器102的输入端a和输入端b短接起来(相当于此时输入信号vdiff为零，但是比较器自身还有offset电压和热噪声电压)，经高速动态比较器102比较100万次，那么输入端的热噪声电压统计结果为符合正态分布。

根据正态分布特征，热噪声电压的中心值大概在u值附近，并且100万次中有99.8万次的输入热噪声电压都在u±3σ以内；有68.4万次的热噪声输入在u±σ以内。热噪声电压超过u±3σ以外的情况就非常少。

因此，根据正态分布的特征，如果将高速动态比较器102的输入加上一个小的电压vdiff，则当vdiff＝u时，输出高电平和低电平的数目将会一样多，即高电平占总输出的50％。此时可以反推出u值就等于此时输入端的vdiff值(即u＝vdiff)，也为电压热噪声分布的中心值，同时也就是比较器输入端的固定偏差offset(即offset＝u＝vdiff)。并且，当输入高电平占比为34.2％+50％＝84.2％时，vdiff值对应(u+σ)值(即vdiff＝(offset+σ))；当输入高电平占比为50％-34.2％＝15.8％时，vdiff值对应(u-σ)值，(即vdiff＝(offset-σ))。由此，根据vdiff值可得到表征热噪声的两个参数，offset值和σ值。

如图3所示，高电平占比为50％时所对应的高速动态比较器102输入端电压差vdiff为高速动态比较器102的电压偏移offset；而高电平占比为84.2％和15.8％时对应的vdiff值分别为(offset+σ)和(offset-σ)。因此，根据高速动态比较器102输出的高电平所占比例和输入信号之间的曲线，可以直接得到高速动态比较器102的电压偏移offset值和热噪声的σ值。

可以理解的是，本实施方式中，处于简洁的目的，仅表示出本发明相对现有技术改进的部分，并未完全示出用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的完整结构，事实上，本实施方式的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100同样可以包括诸如逻辑分析仪的具体 电路以及其他相关结构。

本发明的用于测量高速动态比较器热噪声的系统100的电路结构简单并易于操作，并且利用滤波电路滤除测试信号本身引入的噪声，从而提高了测试结果的准确性。

实施例二

根据本发明的另一方面还提供一种用于测量高速动态比较器热噪声的方法。

图4示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的方法200的流程图。根据本发明的实施例，用于测量高速动态比较器热噪声的方法200可以包括以下步骤：

s201：将测量用第一激励信号vi和第二激励信号vcm输入至信号预处理模块，以使得第一激励信号vi经由信号预处理模块101输出至高速动态比较器102的输入端a，并且第二激励信号vcm经由信号预处理模块101输出至高速动态比较器102的输入端b。

根据本发明实施例，信号预处理模块101可以包括第一低通滤波电路和第二低通滤波电路，第一激励信号vi经由第一低通滤波电路输出至高速动态比较器102的第一输入端a；第二激励信号vcm经由第二低通滤波电路输出至高速动态比较器102的第二输入端b。

示例性地，第一低通滤波电路可以由第一电阻r1、第二电阻r2和第一电容c1构成；第二低通滤波电路可以由第三电阻r3和第二电容c2构成。

根据本发明实施例，用于测量高速动态比较器热噪声的方法200可以进一步包括步骤：利用多个电阻构成的分压电路对第一激励信号vi进行分压，以降低对信号源精度的要求。

示例性地，分压电路可以由第一电阻r1和第二电阻r2串联构成。

s202：利用逻辑分析仪103采集高速动态比较器102的输出信号，以基于所采集的信号进行分析。

根据本发明实施例，逻辑分析仪103可以基于高速动态比较器102所输出的高电平和低电平的比例进行分析。示例性地，逻辑分析仪103基于所采集的信号进行分析可以包括，对高速动态比较器102所输出的高低电平占总输出的比例值进行分析。

根据本发明实施例，逻辑分析仪103基于所采集的信号进行分析可以进一步包括步骤，统计高速动态比较器102所输出的高电平占总输出的比例和第一激励信号vi之间的关系。示例性地，可以具体对高电平占总输出的比例和第一激励信号vi与第二激励信号vcm的电压差vdiff之间的关系进行分析。

图5示出了根据本发明实施例的用于测量高速动态比较器热噪声的方法200的，高速动态比较器输出的高电平所占比例和输入信号之间的仿真结果图。

示例性地，利用matlab模型级仿真：

将高速动态比较器102加上一定的电压偏移offset和随机噪声，在输入端a加上直流信号vi，然后统计输出高电平占所有输出的比例，并记下此时的vdiff值。并且，以此改变vi再重复多次，得到图5的仿真结果。从图5中读取高电平占比为50％时对应的点c处vdiff的值为高速动态比较器102的电压偏移offset的值；而高电平占比为84.2％时所对应的点b处的vdiff值，即(offset+σ)，减去高电平占比为15.8％处所对应的点a处的vdiff值，即(offset-σ)，除以2为热噪声的σ值。

本发明的用于测量高速动态比较器热噪声的方法200使用逻辑分析仪而易于测试操作，并且利用滤波电路滤除测试信号本身引入的噪声，从而提高了测试结果的准确性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修 改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。