逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法【专利说明】逐次逼近型模数转换器的全差分増量采样方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及模数转换器
技术领域：
，特别涉及一种逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法。【【
背景技术：
】】[0002]低功耗电路一直是神经信号传感器和无线传感网络等电路设计的重点。由于SARADC(successiveapproximationA/Dconverter，逐次逼近式模数转换器）具有简单的结构和较少的模拟模块，可以实现极低的功耗，因此特别适合于低功耗的电路设计。电荷再分布式SARADC利用2的指数次幂排布的电容阵列DAC，通过不同权重的电容在高低参考电平间的切换来实现不同的量化电平，并且使这个电平最终趋近于采样信号，得到量化结果。对于N-bit的SARADC，理论上需要N次电容切换才能得到转换结果。[0003]神经电信号以及传感网络中的待检测信号通常为脉冲信号，大部分时间信号变化较为缓慢，幅度变化不大，只有在脉冲到来时幅度才有较大改变。当信号幅度变化缓慢时，在采样率不变的情况下相邻两次采样的采样值变化较小，ADC转换的高位结果是相同的，如图1。DAC电容的切换功耗在SARADC总功耗中占有较大比重，基于共模电平恢复结构(Vcm-based)SARADC每一步电容切换的平均功耗表达式为：[0004][0005]其中n为转换精度，C为单位电容，Vraf为电容切换的参考电平。Ei代表第i步电容切换的平均功耗，如i=l，Ei代表第一步（即MSB)电容切换的平均功耗，可以看到高位电容的切换功耗与低位电容的切换功耗相比成指数增加。[0006]图1中所示的高位转换冗余将带来较大的能量浪费。对于脉冲信号检测应用的SARADC，解决高位转换冗余问题对于低功耗设计具有重要意义。[0007]针对这个问题，一种输入追踪的SARADC结构被提出来。其每次采样值并不是输入电压的绝对大小值，而是本次采样和前次转换量化电压的差值。当相邻两次采样变化较小时，这个差值较小，对这个差值进行量化可以预测到高位的转换结果为"〇"，因此可以屏蔽高位的转换，将低位的转换结果叠加到前次的量化结果，即可得到本次采样的量化值。例如文献"Input-trackingDACforlow-powerhigh-linearitySARADC"（B.G.LeeandS.G.Lee,ElectronicsLetters,vol.47,no.16,pp.911-913,Aug.2011)中通过限制输入信号的频率，可以实现相邻两次采样差值小于Vref/4,从而屏蔽了MSB和MSB-1位的转换，相比传统SARADC，电容的平均开关功耗节省了70%。但是这种方法限制了输入信号频率，即限制了相邻两次采样电压的变化值，当采样变化量大于Vref/4时，转换将出现错误。因此该ADC无法处理大幅度突变信号的采样和转换。为了解决突变信号幅度变化大的问题，可以加入电压判断逻辑，当采样的差值小于一个窗口时，只进行低位转换，当差值大于窗口时，从高位开始转换。文献"ALowPower10bit500kS/sDelta-ModulatedSARADC(DMSARADC)forImplantableMedicalDevices'，(Y.F.Lyu,C.Y.Wu,L.C.Liu,IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystem(ISCAS)，pp.2046-2049,2013)利用一组DAC电容存储前次量化电压，另一组DAC采集当前输入值，实现了单端增量采样的SARADC。通过DAC中特定电容的置位，可以判断采样差值是否在设定的窗口内，并完成后续转换。测量结果显示，当输入信号为10Hz和7kHz时，该ADC在500kS/s采样率下可以实现66%的功耗缩减。然而文章中的ADC属于单端采样，不利于抑制共模干扰，同时单端结构的转换范围也较窄。因此该ADC不适用于共模干扰较大的信号采集系统中。[0008]文献"AlObitSARADCWithData-DependentEnergyReductionUsingLSB-FirstSuccessiveApproximation'，（F.M.YaulandA.P.Chandrakasan,IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.49,no.12,pp.2825-2834,December2014)提出一种基于电压预估的逆序转换SARADC，来解决高位转换冗余的问题。在采样结束后用前次量化结果作为对本次采样值的一个预估电压，并从LSB开始逐步向上进行搜索，判断采样电压范围。当采样电压范围确定后，DAC再向下逐步转换，得到本次量化结果。这种结构在相邻两次采样电压不变时，仅用2步即可实现一次转换。然而这种转换逻辑仅在输入信号变化非常缓慢时具有很高的转换效率，其随着信号幅度增加，转换效率下降很快。【【
发明内容】】[0009]本发明的目的在于提供一种逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法，以解决SARADC遇到的高位转换冗余问题以及现有解决方案的不足。[0010]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：[0011]逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法，包括以下步骤：[0012]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:l]分别接到VDD或者GND油于C。和(^的大小是相同的，当D[0]为1时，P型电容阵列中的C。接到VeM，N型电容阵列中的C。接到GND;当D[0]为0时，P型电容阵列中的C。接到GND，N型电容阵列中的C。接到VeM;在采样结束时，电容阵列上极板电荷量表达式为：[0015]其中VIP和VIN为查分采样电压值，CA单端电容阵列的电容总和；[0016]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VeM，此时电容阵列上极板的电荷量表达式为：[0017]Qp=(VP-VCM)?CT(5)[0018]Qn=(Vn-VCM)?CT(6)[0019]其中VP和V及别为差分电容上极板的电压值。[0020]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：[0023]由（7)⑶式相减得到差分采样得到的差值信号为：[0024]Vp-Vn=(VIP-VIN)-(V/IP-V/IN)(9)[0025]其中，VIP_VIN为本次差分采样电压值，V'IP_V'INS前次差分采样量化结果值；[0026]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：[0027]如果增量电压为正，电容开关将卩端(：5电容的下级板接到电容的下级板接到VDD，此时电容阵列上极板电压差值为：[0028][0029]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lObit，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，S卩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VeM，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C当前第1页1 2 3 4