一种高精度模数转换器的制作方法

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高精度模数转换器。

背景技术：

模数转换器是一个将模拟信号转换成数字信号的电路系统，广泛应用于各种电子器件中，并且往往在整个电路系统中起着决定性的作用。其主要性能参数包括：信噪比、动态范围、有效位数、转换精度。对设计一个adc来说，输入动态范围与转换精度之间存在一个折衷，想要实现一个大动态范围高精度的模数转换器是比较困难的。

如图1所示为传统的一种模数转换器，此方案提出一种基于两个通道adc的双通道选通方法来扩大转换动态范围。将输入信号vin分成两路①和②，①路直接接至adc，②首先通过放大器，这个放大器前端包含一个信号是否被削顶的判断电路，然后接至adc进行转换。其中，①路负责转换大输入信号，②路负责转换小输入信号，两路信号实际使用时只有一路会输入adc中。选通条件是：当②通道信号被削顶时，①路被选通，否则选通②路信号输入adc。此方案通过对输入信号区间进行划分，在现有adc的基础上，扩展了输入动态范围。

现有技术方案中，存在以下缺陷：其实现的大动态范围是非常局限的，而且通道的选择依赖于一个判断信号是否被削顶的电路，可靠性更差；其对adc有着更高的要求，必须是二通道及以上的模数转换器才可以使用，这无疑加大了复杂度，增加了成本；其并不能真正提高转换精度，只是原有双通道adc的精度，原因是此方案仅仅是将信号划分为大小进行检测，而没有真正将信号分开检测。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高精度模数转换器，其将大信号与残余差小信号分开检测，扩展了输入动态范围，提高了模数转换器的精度，降低了sar-adc的复杂性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度模数转换器，包括：

粗量化器模块，所述粗量化器模块提取输入信号中的大信号电压，并将所述大信号电压转换成第一数字信号；

优先编码模块，其与粗量化器模块连接，所述优先编码模块将所述第一数字信号优先编码得到m位数字信号；

减法模块，其与粗量化器模块连接，所述减法模块以所述粗量化器模块输出的大信号电压作为共模电压，所述共模电压与输入信号作差得到残余差小信号，并将所述残余差小信号放大；

sar-adc模块，其与减法模块连接，所述sar-adc模块将放大后的残余差小信号转换成n位数字信号；

所述高精度模数转换器输出信号为(m+n)位数字信号。

作为优选的，所述减法模块中，将所述残余差小信号放大2^m倍。

作为优选的，所述粗量化器模块包括大信号提取电路，所述大信号提取电路包括参考电压源、m个模拟比较器和m个分压电阻；

m个所述分压电阻串联，所述分压电阻与模拟比较器一一对应设置，m个所述分压电阻对所述参考电压源的电压分压以获得多组电压参考信号，

多组所述电压参考信号分别输入至对应的模拟比较器与输入电压做比较，获得2^m个信号输出。

作为优选的，所述优先编码模块为2^m-m优先编码器，所述2^m个信号输出经2^m-m优先编码器得到m位数字信号。

作为优选的，所述分压电阻为精密电阻。

作为优选的，所述粗量化器模块还包括大信号检测电路，所述大信号检测电路对模拟比较器的2^m个信号输出进行逻辑运算，得到2^m开关控制信号；

通过2^m开关控制信号提取电压参考信号，复原获得大信号电压。

作为优选的，所述减法模块包括运算放大器，所述运算放大器的正向输入端与输入信号连接，所述运算放大器的负向输入端以大信号电压作为参考电压。

本发明的有益效果：

1、本发明能够真正实现大动态范围输入，因为本发明基于将输入信号的大信号与小信号分开转换的思想，所以输入范围基本取决于大信号电压值。在粗量化器模块中，精密电阻分压结构与比较器的组合可以量化大信号，只要优先编码器输入位数足够，那么输入动态范围能达到相当大的水平。

2、本发明能够实现高精度输出，本发明所提出的模数转换器，当输入一个大动态范围信号时，可以精确检测其大信号电压并转化成mbit数字量，再利用一个nbit的sar-adc实现残余差小信号的转换，这样一来，并行输出(m+n)bit数据，这增加的mbit相当于提高了转换精度。

3、本发明结构简单，易实现。在实际中实现一个全集成的大动态范围高精度模数转换器是非常困难的，而本发明提供了一种可代替的思想：将大信号与小信号分开检测并进行模数转换，在sar-adc的基础上，通过增加大信号检测电路，残余差小信号作差电路，相对容易的实现了大动态范围高精度的目标。

附图说明

图1为背景技术中现有技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的大信号提取电路和优先编码器的结构示意图；

图4为本发明的大信号检测电路的结构示意图，其中，图4(a)为逻辑运算电路，图4(b)为带开关的大信号电压复原电路；

图5为减法模块的结构示意图；

图6为sar-adc模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图2所示，本发明公开了一种高精度模数转换器，包括粗量化器模块、优先编码模块、减法模块和sar-adc模块。

粗量化器模块提取输入信号中的大信号电压，并将大信号电压转换成第一数字信号。

优先编码模块与粗量化器模块连接，优先编码模块将第一数字信号优先编码得到m位数字信号。

减法模块与粗量化器模块连接，减法模块以粗量化器模块输出的大信号电压作为共模电压，共模电压与输入信号作差得到残余差小信号，并将残余差小信号放大。

sar-adc模块与减法模块连接，sar-adc模块将放大后的残余差小信号转换成n位数字信号。

高精度模数转换器输出信号为(m+n)位数字信号。

本发明能够真正实现大动态范围输入，因为本发明基于将输入信号的大信号与小信号分开转换的思想，所以输入范围基本取决于大信号电压值。在粗量化器模块中，精密电阻分压结构与比较器的组合可以量化大信号，只要优先编码器输入位数足够，那么输入动态范围能达到相当大的水平。因此，可以说本方案真正实现了大动态范围输入。

本发明能够实现高精度输出，本发明所提出的模数转换器，当输入一个大动态范围信号时，可以精确检测其大信号电压并转化成mbit数字量，再利用一个nbit的sar-adc实现残余差小信号的转换，这样一来，并行输出(m+n)bit数据，这增加的mbit相当于提高了转换精度。

本发明结构简单，易实现。在实际中实现一个全集成的大动态范围高精度模数转换器是非常困难的，而本发明提供了一种可代替的思想：将大信号与小信号分开检测并进行模数转换。在sar-adc的基础上，通过增加大信号检测电路，残余差小信号作差电路，相对容易的实现了大动态范围高精度的目标。

在减法模块中，将残余差小信号放大2^m倍。

参照图3所示，粗量化器模块包括大信号提取电路，大信号提取电路包括参考电压源、m个模拟比较器和m个分压电阻；m个分压电阻串联，分压电阻与模拟比较器一一对应设置，m个分压电阻对参考电压源的电压分压以获得多组电压参考信号，多组电压参考信号分别输入至对应的模拟比较器与输入电压做比较，模拟比较器输出一个低或高的电平，获得2^m个信号输出，也就确定了输入信号所属的电压范围。在优先编码器的电路中，允许同时输入两个以上的编码信号，但编码器内部电路已经将所有的输入信号按优先顺序排队，只对优先权最高的一个进行编码。

优先编码模块为2^m-m优先编码器，2^m个信号输出经2^m-m优先编码器得到m位数字信号，如此即实现将输入信号的大信号电压进行模数转化。分压电阻为精密电阻。

参照图4所示，粗量化器模块还包括大信号检测电路，大信号检测电路对模拟比较器的2^m个信号输出进行逻辑运算，得到2^m开关控制信号。通过2^m开关控制信号提取电压参考信号，复原获得大信号电压vcm。图4(a)为逻辑运算电路，图4(b)为带开关的大信号电压复原电路。在另一实施例中，图4电路中，这个逻辑门运算电路所实现的功能可以由一个m-2^m的译码器来实现。

参照图5所示，减法模块包括运算放大器，运算放大器的正向输入端与输入信号连接，运算放大器的负向输入端以大信号电压作为参考电压。vcm表示输入信号的大信号电压，其通过粗量化器中的大信号检测电路得到，与输入信号vin作差之后得到残余差小信号vin’，并且使用电阻的比值调节将小信号放大2^m倍。

电路输入输出关系为：

参照图6所示，为sar-adc模块的结构示意图。sar-adc的电路包含比较器comp、dac、寄存器、控制逻辑、clk时钟。这个模块的功能就是将减法模块得到的残余差小信号vin’转化成nbit数字量。

一方面，本发明能够提高adc输入动态范围，包括但不限于检测输入信号中大信号电压的思想以及具体电路结构，包括将大信号电压优先编码的思想；另一方面，本发明能够提高adc转换精度，包括将大信号电压与小信号电压分开检测的思想。

本发明在原有sar-adc的基础上，扩展输入动态范围的同时，又增加了转换位数，也即提高了转换精度。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。