模数转换器、集成电路以及电子设备的制作方法

本实用新型涉及模拟数字转换技术领域，具体涉及一种模数转换器、集成电路以及电子设备。

背景技术：

逐次逼近型模数转换器(successiveapproximationregisteradc，saradc)是采样速率低于5msps(每秒百万次采样)的中等至高分辨率应用的常见结构。saradc的分辨率一般为8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特点。

传统saradc基本结构通常包括电容阵列、比较器以及控制电路，电容阵列中包括与数量与adc输出位数一致的多位电容。其工作过程大致为：通过电容阵列对模拟输入信号进行采样之后，按照从最高位到最低位的顺序控制电容翻转，最后得到与电容阵列位数一致的多位数字信号。在此过程中，假设电容阵列为m位，则需要进行m-1次电容翻转。

在测量领域的应用中，saradc有时进行增量测量，即对前后两次采样的输入信号分别进行测量，此时，需要分别对前、后两个输入信号进行转换，需要进行2(m-1)次电容翻转，其转换速率较慢。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本实用新型实施例提供一模数转换器以及模数转换方法，以解决上述技术问题。

本实用新型实施例是采用以下技术方案实现的：

一种模数转换器，包括比较器、主电容阵列、增量电容阵列以及控制电路；主电容阵列，连接比较器，且包括m位电容，其中m为大于或等于1的整数；增量电容阵列，连接比较器，且包括n位电容，其中n为大于或等于1的整数；控制电路连接于比较器、主电容阵列以及增量电容阵列；模数转换器的输出位数为m或n；其中n小于m。

在一些实施方式中，增量电容阵列中第二位电容的电容值至第n位电容的电容值依次以2的幂次方递增，且第一位电容的电容值等于第二位电容的电容值，其中第一位电容为最低位电容。

在一些实施方式中，主电容阵列中第二位电容的电容值至第m位电容的电容值依次以2的幂次方递增，且第一位电容的电容值等于第二位电容的电容值，其中第一位电容为最低位电容。

在一些实施方式中，主电容阵列还包括一位冗余电容，其中，冗余电容设置在m位电容中的第p位电容与第p+1位电容之间，冗余电容的电容值等于第p位电容的电容值，p为整数且1≤p≤m。

在一些实施方式中，比较器包括两个输入端，主电容阵列与增量电容阵列中的每位电容均包括两个电容，两个电容与两个输入端一一对应连接。

在一些实施方式中，主电容阵列与增量电容阵列中的每个电容的第一端分别连接比较器的输入端、第二端用于连接预设的第一参考电压端、第二参考电压端以及接地端中的一个，其中第一参考电压端的输入电压为第二参考电压端的输入电压的一半。

在一些实施方式中，模数转换器还包括开关单元，开关单元包括多个开关，每个开关的第一端连接一个电容的第二端，每个开关的第二端用于连接预设的第一参考电压端、第二参考电压端以及接地端中的一个。

在一些实施方式中，n位电容中电容的数量少于m位电容中电容的数量。

本实用新型实施例还提供一种集成电路，包括上述任一项的模数转换器。

本实用新型还提供一种电子设备，包括设备主体以及上述的集成电路，集成电路设于设备主体。

本实用新型实施例提供的模数转换器、集成电路以及电子设备，该模数转换器通过设置比较器、包括m位电容的主电容阵列、包括n位电容的增量电容阵列以及控制电路，并且模数转换器输出位数为m或n，n小于m；使得模数转换器在进行基准测量时对主电容阵列中的电容进行m-1次翻转，而在增量测量阶段对增量电容阵列中的电容进行n-1次翻转，总共翻转次数为m+n-2次，由于n<m，因此电容翻转次数比传统模数转换器的2m-2次少，进而减小了增量测量阶段的响应时间，提高了模数转换器的转换速率。

本实用新型的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例提供的模数转换器模块框图。

图2示出了本实用新型实施例提供的模数转换器一种结构示意图。

图3示出了本实用新型实施例提供的模数转换器的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性地，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，图1示意性地示出了本实用新型实施例提供的模数转换器100的模块框图。该模数转换器100包括比较器110、主电容阵列120、增量电容阵列130以及控制电路140。主电容阵列120连接于比较器110的输入端，且包括m位电容；增量电容阵列130连接于比较器110的输入端，且包括n位电容；控制电路140连接于比较器110、主电容阵列120以及增量电容阵列130；m、n均为大于或等于1的整数，且该模数转换器100的输出位数为m或n；n小于m。

本实用新型实施例提供的模数转换器100在基准测量时可以通过主电容阵列120进行转换，此时该模数转换器100可以输出包括m个位数的输出信号，称为基准数字信号；基准测量过程中，与传统模数转换器的测量过程类似，电容阵列采样基准输入信号之后，比较器多次进行比较动作，控制电路140逐次对主电容阵列120中的各个电容进行翻转。比较器每比较一次，控制电路140根据比较结果得到一个数字位，直至完成所有比较动作，获得与基准输入信号对应的m位数字序列。

在增量测量时，与传统模数转换器的测量过程类似，电容阵列采样模拟输入信号之后，在比较器110的比较过程中，控制电路140逐次控制电容翻转，只是在本实用新型实施例中，由于增量电容阵列130的存在，且基准测量时已经对主电容阵列120中的各电容进行过翻转，即施加给主电容阵列120中的各电容的基准控制信号已经确定，使得在转换之前将已经确定的基准控制信号施加给主电容阵列120中的各个电容之后，可以在增量测量的转换期间从增量电容阵列130中的电容开始翻转，进而使得模数转换器100输出包括n个位数的输出信号，该n个位数的输出信号也就是模拟输入信号相对于基准输入信号的增量。在此过程中，模数转换器100中的电容总共翻转了m+n-2次，传统的模数转换器前后两次均通过同样的电容阵列转换需要总共翻转2m-2次电容，由于n小于m，因此m+n-2小于2m-2次，说明本实用新型提供的模数转换器100相比传统的模数转换器翻转电容的次数更少，也意味着仅需更少的时钟控制。因此，在模数转换器100的转换过程中比传统的模数转换器的响应速度更快，从而比传统的模数转换器的转换速率更高。由于整个转换过程中主电容阵列只翻转了1次，因此两个阶段中主电容阵列的状态是一致的，可避免由于主电容状态不一致导致的误差，提高转换精度。

可以理解，由于传统的模数转换器本身具有控制电容翻转和控制比较器比较的功能，通过本实施例的电路结构结合传统模数转换器本身具备的电容翻转及比较功能，即可实现上述方案并取得相应的技术效果。

具体而言，如图2所示，图2示出了本实用新型实施例提供的模数转换器100的结构示意图。比较器110包括两个输入端，其为第一输入端与第二输入端。主电容阵列120与增量电容阵列130均连接于比较器110的第一输入端和第二输入端。主电容阵列120包括m位电容，m为大于或等于1的整数。主电容阵列120中的每位电容均包括两个电容，两个电容与比较器110的两个输入端一一对应连接，该两个电容其中一个为p端电容、另一个为n端电容。主电容阵列120的每位电容中的p端电容共同组成p端主电容阵列cp，每位电容中的n端电容共同组成n端主电容阵列cn。p端主电容阵列cp连接于比较器110的第一输入端，n端主电容阵列cn连接于比较器110第二输入端，其中第一输入端为比较器110的同相输入端、第二输入端为比较器110的反相输入端。增量电容阵列130包括n位电容，n为大于或等于1的整数，且n小于m。增量电容阵列130中的每位电容均包括两个电容，两个电容与比较器110的两个输入端一一对应连接，该两个电容其中一个为p端电容、另一个为n端电容。增量电容阵列130的每位电容中的p端电容共同组成p端增量电容阵列cap，每位电容中的n端电容共同组成n端增量电容阵列can。p端增量电容阵列cap连接于比较器110的第一输入端，n端增量电容阵列can连接于比较器110第二输入端，其中第一输入端为比较器110的同相输入端、第二输入端为比较器110的反相输入端。

主电容阵列120中的每个电容的第一端分别连接比较器110的输入端(第一输入端或第二输入端)、第二端用于连接预设的第一参考电压端、第二参考电压端以及接地端中的一个，其中第一参考电压端的输入电压为第二参考电压端的输入电压的一半。第一参考电压端的输入信号为第一控制信号vcm、第二参考电压端的输入信号为第二控制信号vref、接地端的输入信号为第三控制信号gnd；第一控制信号vcm的电压为第二控制信号vref的电压的一半，第三控制信号gnd为零电位信号。增量电容阵列130中的每个电容的第一端分别连接比较器110的输入端(第一输入端或第二输入端)、第二端同样用于连接预设的第一参考电压端、第二参考电压端以及接地端中的一个，其中第一参考电压端的输入电压为第二参考电压端的输入电压的一半。第一参考电压端的输入信号为第一控制信号vcm、第二参考电压端的输入信号为第二控制信号vref、接地端的输入信号为第三控制信号gnd；第一控制信号vcm的电压为第二控制信号vref的电压的一半，第三控制信号gnd为零电位信号。

该模数转换器100还包括开关单元150，该开关单元150包括多个开关，每个开关的第一端连接主电容阵列120中一个电容的第二端或增量电容阵列130中一个电容的第二端，每个开关的第二端用于连接上述的第一参考电压端、第二参考电压端以及接地端中的一个。控制电路140可以通过控制开关单元150中的每个开关的导通状态，进而可以将主电容阵列120和增量电容阵列130中每个电容的第二端切换连接第一参考电压端、第二参考电压端以及接地端中的一个，进而将主电容阵列120和增量电容阵列130中每个电容的输入信号在第一控制信号vcm、第二控制信号vref以及第三控制信号gnd之间切换。模数转换器100还可以包括采样开关ks，采样开关ks设置在比较器110的输入端，当采样开关ks闭合时，主电容阵列120或增量电容阵列130可以采样差分输入信号vip以及vin，其中p端主电容阵列cp或p端增量电容阵列cap采样输入信号vip，n端主电容阵列cn或n端增量电容阵列can采样输入信号vin。

本实用新型实施例中，每位电容是指主电容阵列120或增量电容阵列130中的一位，每位电容中的两个电容的容值是相等的，由于每位电容中的两个电容的容值相等，以下将每位电容中任一个的电容的容值代表该电容的容值。主电容阵列120中从第m位电容cm至第一位电容c1位数依次减小，第m位电容cm为最高位电容，第一位电容c1为最低位电容。在主电容阵列120的m位电容中，前两位电容对的容值相等，也即第一位电容c1的容值等于第二位电容c2的容值，第二位电容c2至第m位电容cm的电容值以2的幂次方递增。比较器110依次从主电容阵列120中的高位电容至低位电容逐次比较，假设第一位电容c1的容值为c0，根据比较器110的比较顺序第m位电容cm至第一位电容c1的容值可以依次为2^m-2c0···2^i-2c0···2²c0、2¹c0、c0、c0；其中i为主电容阵列120中每位电容的位数。同样地，增量电容阵列130中从第n位电容cn至第一位电容c1位数依次减小，第n位电容cn为最高位电容，第一位电容c1为最低位电容。在增量电容阵列130的n位电容中，前两位电容对的容值相等，也即第一位电容c1的容值等于第二位电容c2的容值，第二位电容c2至第n位电容cn的电容值以2的幂次方递增。比较器110依次从增量电容阵列130中的高位电容至低位电容逐次比较，假设第一位电容c1的容值为c0，根据比较器110的比较顺序第n位电容cn至第一位电容c1的容值可以依次为2^n-2c0···2^i-2c0···2²c0、2¹c0、c0、c0。其中i为主电容阵列120中每位电容的位数。

在模数转换器100的转换过程中，控制电路140可以控制电容进行逐次翻转，也即比较器110进行一次比较后，控制电路140即切换下一位电容的输入信号。比较器110每比较一次后，模数转换器100即输出一个码值。例如，主电容阵列120包括m位电容，比较器110在比较完成后，模数转换器100即输出m个码值，该m个码值组合成一个m位的数字序列。值得说明的是，在此过程中，控制电路140仅控制电容翻转m-1次。

通常来说，模数转换器100的测量包括基准测量阶段以及增量测量阶段。在基准测量阶段得到基准测量值，并在增量测量阶段得到增量测量值。传统的saradc只有一个电容阵列，在进行基准测量和增量测量时需要对同一个电容阵列进行前后进行两次翻转，即共需要翻转2m-2次电容。本实用新型实施例提供的模数转换器100，在基准测量阶段对主电容阵列中的电容进行翻转，需要翻转m-1次电容，而在增量测量阶段的转换期间对增量电容阵列130中的电容进行翻转，此时需翻转n-1次电容，电容翻转次数总共为m+n-2次，由于n<m，因此显而易见的是，m+n-2小于2m-2，因此模数转换器100的电容翻转次数比传统模数转换器少，进而减小了增量测量阶段的响应时间，提高了模数转换器100的转换速率。

如图3所示，在一些实施方式中，主电容阵列120还可以包括一位冗余电容cr，该冗余电容cr设置在m位电容中的第p位电容与第p+1位电容之间，冗余电容cr的电容值等于所述第p位电容的电容值，p为整数且1≤p≤m。例如，例该冗余电容可以设置在第五位电容c5与第六位电容c6之间，此时p为5，那么冗余电容cr的容值也就等于第五位电容c5的容值。通过设置冗余电容cr，可以保证主电容阵列120在转换过程中不失码的现象。

本实用新型实施例提供的模数转换器，可以广泛地应用于上、下极板采样电容结构、电容阵列翻转策略、单调电容阵列翻转策略以及分裂电容等电容阵列翻转策略中。通过设置比较器、包括m位电容的主电容阵列、包括n位电容的增量电容阵列以及控制电路，并且模数转换器输出位数为m或n，n小于m；使得模数转换器在进行基准测量时对主电容阵列中的电容进行m-1次翻转，而在增量测量阶段对增量电容阵列130中的电容进行n-1次翻转，总共翻转次数为m+n-2次，由于n<m，因此电容翻转次数比传统模数转化器的2m-2次少，进而减小了增量测量阶段的响应时间，提高了模数转换器100的转换速率。

本实用新型实施例还提供一种集成电路，该集成电路包括上述的模数转换器。在一些实施方式中，该集成电路可以是触摸感测芯片。

本实用新型实施例提供的集成电路，通过设置比较器、包括m位电容的主电容阵列、包括n位电容的增量电容阵列以及控制电路，并且模数转换器输出位数为m或n，n小于m；使得模数转换器在进行基准测量时可以通对主电容阵列中的电容进行m-1次翻转，而在增量测量阶段对增量电容阵列130中的电容进行n-1次翻转，总共翻转次数为m+n-2次，由于n<m，因此电容翻转次数比传统模数转换器的2m-2次少，进而减小了增量测量阶段的响应时间，提高了模数转换器100的转换速率。

本实用新型实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括设备主体以及上述的集成电路，该集成电路设置在设备主体内。

在电子设备可以是但不限于是智能手机、平板电脑、电纸书阅读器、智能门锁、智能家电等。

本实用新型实施例提供的电子设备，通过设置比较器、包括m位电容的主电容阵列、包括n位电容的增量电容阵列以及控制电路，并且模数转换器输出位数为m或n，n小于m；使得模数转换器在进行基准测量时对主电容阵列中的电容进行m-1次翻转，而在增量测量阶段对增量电容阵列130中的电容进行n-1次翻转，总共翻转次数为m+n-2次，由于n<m，因此电容翻转次数比传统模数转换器的2m-2次少，进而减小了增量测量阶段的响应时间，提高了模数转换器100的转换速率。

以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。