一种基于噪声随机码复用的高精度多级分段数模转换器

本发明属于数模转换器，具体涉及一种基于噪声随机码复用的高精度多级分段数模转换器。

背景技术：

1、模数转换器(adc)是模拟信号与数字信号之间的接口，其性能对数字信号处理系统的整体性能至关重要。高精度模数转换器广泛应用于各种精密测量、数据采集和通信系统中。在这些应用中，逐次逼近型模数转换器(sar adc)因其优异的性能、较低的功耗和较小的面积而备受关注。

2、数模转换器(dac)是逐次逼近型模数转换器实现高精度输出的关键部件，其精度、线性度和面积随着逐次逼近型模数转换器分辨率的提升而越来越高。随着分辨率的提高，传统的逐次逼近型模数转换器将面临设计和实现上的挑战，如电容失配大、线性度受限、面积开销大、低位受噪声影响大的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于噪声随机码复用的高精度多级分段数模转换器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、一种基于噪声随机码复用的高精度多级分段数模转换器，包括：

3、多级分段电容阵列、切换开关、dem模块和逐次逼近寄存器；其中，

4、所述多级分段电容阵列包括：四级分段电容阵列和3个段间桥接电容；其中第一级分段电容阵列包括：预先将高h位电容，根据每一位对应的二进制权重，进行拆分后的m-1个温度计码电容和1个作为温度计码电容的冗余电容；所述冗余电容为第h位电容，所述温度计码电容的电容值均为所述冗余电容的电容值，其中m＝2h；

5、所述切换开关包括：m个温度计码切换开关、l个二进制码切换开关、r个二进制码切换开关和k个等权重lsb位切换开关；

6、所述高精度多级分段数模转换器的位数为n位，针对当前周期的工作过程包括：

7、所述逐次逼近寄存器将前一个周期中的控制信号ctdn-1<1：k>输出；

8、将数字输入信号dinn的第1位～第h位输入所述逐次逼近寄存器，并作为控制信号ctan<1：h>输出；

9、所述dem模块根据所述ctan<1：h>和所述ctdn-1<1：k>输出m位次序随机的控制信号ctbn<1：m>，控制所述m个温度计码切换开关作用于对应的分段电容阵列中的电容，对所述dinn的第1位～第h位进行数模转换；

10、分步将dinn的第h+1位～第h+l位、第h+l+1位～第h+l+r位、第n-k+1位～第n位输入至所述逐次逼近寄存器，依次作为控制信号ctcn<1：l>、ctcn<l+1：l+r>和ctdn<1：k>输出，分别控制各自对应的切换开关作用于对应的分段电容阵列中的电容，对所述dinn的第h+1位～第n位进行数模转换；其中，k+r+l+h＝n；

11、输出所述数字输入信号dinn的第1～n位的数模转换结果。

12、在本发明的一个实施例中，每一位对应的二进制权重为2i-1；其中，i表示所述高h位电容中当前位的位号，i为1～h之间的整数。

13、在本发明的一个实施例中，第一级分段电容阵列包括：

14、cap1阵列、接地电容c1d和复位开关s1；其中，

15、所述cap1阵列包括：m个温度计码电容c1_1～c1_m；

16、所述m个温度计码电容的第一端相互连接后，与输出端voutp连接；

17、所述接地电容c1d的第一端与温度计码电容c1_m的第一端连接，所述接地电容c1d的第二端接地；

18、所述复位开关s1的第一端与所述接地电容c1d的第一端连接，所述复位开关s1的第二端接地；所述复位开关s1的第一端还与段间桥接电容c1b的第一端连接。

19、在本发明的一个实施例中，四级分段电容阵列中的第二级分段电容阵列包括：

20、cap2阵列、接地电容c2d和复位开关s2；其中，

21、所述cap2阵列包括：l个二进制码电容c2_1～c2_l；

22、所述l个二进制码电容的第一端相互连接后，与所述段间桥接电容c1b的第二端连接；

23、所述接地电容c2d的第一端与二进制码电容c2_l连接，所述接地电容c2d的第二端接地；

24、所述复位开关s2的第一端与所述接地电容c2d的第一端连接，所述复位开关s2的第二端接地；所述复位开关s2的第一端还与段间桥接电容c2b的第一端连接。

25、在本发明的一个实施例中，四级分段电容阵列中的第三级分段电容阵列包括：

26、cap3阵列、接地电容c3d和复位开关s3；其中，

27、所述cap3阵列包括：r个二进制码电容c3_1～c3_r；

28、所述r个二进制码电容的第一端相互连接后，与所述段间桥接电容c2b的第二端连接；

29、所述接地电容c3d的第一端与二进制码电容c3_r连接，所述接地电容c3d的第二端接地；

30、所述复位开关s3的第一端与所述接地电容c3d的第一端连接，所述复位开关s3的第二端接地；所述复位开关s3的第一端还与段间桥接电容c3b的第一端连接。

31、在本发明的一个实施例中，四级分段电容阵列中的第四级分段电容阵列包括：

32、cap4阵列、接地电容c4d和复位开关s4；其中，

33、所述cap4阵列包括：k个等权重lsb电容c4_1～c4_k；

34、所述k个等权重lsb电容的第一端相互连接后，与所述段间桥接电容c3b的第二端连接；

35、所述接地电容c4d的第一端与等权重lsb电容c4_k连接，所述接地电容c4d的第二端接地；

36、所述复位开关s4的第一端与所述接地电容c4d的第一端连接，所述复位开关s4的第二端接地。

37、在本发明的一个实施例中，m个温度计码切换开关为m个单刀三掷开关stri_1～stri_m，按次序分别对应温度计码电容c1_1～c1_m；

38、所述m个单刀三掷开关stri_1～stri_m中每一个的主接线点，分别与各自对应的温度计码电容的第二端连接；所述m个单刀三掷开关stri_1～stri_m中每一个的第一动接线点相互连接后，与vdd连接，所述m个单刀三掷开关中stri_1～stri_m每一个的第二动接线点相互连接后，与输入电压vin连接，所述m个单刀三掷开关stri_1～stri_m中每一个的第三动接线点都接地；

39、所述l个二进制码切换开关为l个单刀双掷开关sbi1_1～sbi1_l，按次序分别对应l个二进制码电容c2_1～c2_l；

40、所述l个单刀双掷开关sbi1_1～sbi1_l中每一个的主接线点，分别与各自对应的二进制码电容的第二端连接；所述l个单刀双掷开关sbi1_1～sbi1_l中每一个的第一动接线点相互连接后，与vdd连接，所述l个单刀双掷开关sbi1_1～sbi1_l中每一个的第二动接线点都接地；

41、所述r个二进制码切换开关为r个单刀双掷开关sbi2_1～sbi2_r，按次序分别对应r个二进制码电容c3_1～c3_r；

42、所述r个单刀双掷开关sbi2_1～sbi2_r中每一个的主接线点，分别与各自对应的二进制码电容的第二端连接；所述r个单刀双掷开关sbi2_1～sbi2_r中每一个的第一动接线点相互连接后，与vdd连接，所述r个单刀双掷开关sbi2_1～sbi2_r中每一个的第二动接线点都接地；

43、所述k个等权重lsb位切换开关为k个单刀双掷开关sbi3_1～sbi3_k，按次序分别对应k个等权重lsb电容c4_1～c4_k；

44、所述k个单刀双掷开关sbi3_1～sbi3_k中每一个的主接线点，分别与各自对应的等权重lsb电容的第二端连接；所述k个单刀双掷开关sbi3_1～sbi3_k中每一个的第一动接线点相互连接后，与vdd连接，所述k个单刀双掷开关sbi3_1～sbi3_k中每一个的第二动接线点都接地。

45、在本发明的一个实施例中，dem模块包括：温度计码译码器和单位元件选择开关；

46、相应的，所述dem模块根据所述ctan<1：h>和所述ctdn-1<1：k>输出m位次序随机的控制信号ctbn<1：m>，包括：

47、所述温度计码译码器将所述ctan<1：h>进行处理，生成m位的温度计码，并将所述m位的温度计码发送至所述单位元件选择开关；

48、所述单位元件选择开关采用k层蝶形随机开关，所述k层蝶形随机开关在所述ctdn-1<1：k>的控制下，将所述m位的温度计码打散为m位的次序随机的控制信号ctbn<1：m>并输出；当n＝1时，所述dem模块根据所述逐次逼近寄存器中第n-k+1位～第n位的初始值代替所述ctdn-1<1：k>的作用。

49、在本发明的一个实施例中，控制所述m个温度计码切换开关作用于对应的分段电容阵列中的电容，对所述dinn的第1位～第h位进行数模转换的工作原理，包括：

50、所述ctbn<1：m>控制所述m个温度计码切换开关进行切换，根据电荷共享原理，使得所述cap1阵列的电位重新建立，实现对所述dinn的第1位～第h位的数模转换。

51、在本发明的一个实施例中，ctcn<1：l>、ctcn<l+1：l+r>和ctdn<1：k>分别控制各自对应的切换开关作用于对应的分段电容阵列中的电容，对所述dinn的第h+1位～第n位进行数模转换的工作过程包括：

52、所述ctcn<1：l>控制所述l个二进制码切换开关进行切换，根据所述电荷共享原理，使得所述cap2阵列的电位重新建立，实现对所述dinn的第h+1位～第h+l位的数模转换；

53、所述ctcn<l+1：l+r>控制所述r个二进制码切换开关进行切换，根据所述电荷共享原理，使得所述cap3阵列的电位重新建立，实现对所述dinn的第h+l+1位～第h+l+r位的数模转换；

54、所述ctdn<1：k>控制所述k个等权重lsb位切换开关进行切换，根据所述电荷共享原理，使得所述cap4阵列的电位重新建立，实现对所述dinn的第n-k+1位～第n位的数模转换。

55、本发明的有益效果：

56、本发明实施例所提供的方案中，预先将高h位电容拆分为m个温度计码电容，同时将上一周期受噪声影响而产生的k位等权重lsb位数字码作为dem模块的控制信号，dem模块根据控制信号，对生成的m个温度计码进行随机化排列，降低了失配的影响，提高了线性度，复用了噪声随机码。本设计在实现了低位重复位以降低噪声、dem随机化解决失配问题的同时，节省了伪随机码产生器，降低了面积开销，提高了高精度多级分段数模转换器的整体性能。