CN104467845B

CN104467845B - 一种自适应电荷再分布模数转换器、转换方法及校准方法

Info

Publication number: CN104467845B
Application number: CN201410837054.3A
Authority: CN
Inventors: 姚兵兵; 刘力源; 刘剑; 吴南健
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: CN104467845A

Abstract

本发明公开了一种基于共享电容阵列的自适应电荷再分布模数转换器及其转换方法和校准方法。本发明的模数转换器，通过引入共享电容阵列，在自适应滤波器的支持下，能够完成模数转换器的自适应校准。本发明的校准方法，能够实时跟踪环境变化校准电容失配引入的非线性，收敛速度快，精度高；本发明的模数转换器，不引入额外的采样保持电路及电容，能够大大降低电容匹配精度要求，减小面积，降低功耗，提高速度，不牺牲输入信号范围，特别适合工艺尺寸缩小。

Description

一种自适应电荷再分布模数转换器、转换方法及校准方法

技术领域

该发明涉及模拟信号数字信号转换领域，主要是模数转换器，尤其适合实时跟踪环境变化，低功耗的电荷再分布模数转换器及校准。

背景技术

模数转换器是信号处理过程中模拟电路与数字电路的接口电路，其中电荷再分布模数转换器，因为设计简单，功耗低，适合于工艺尺寸缩小，成为模数转换器中一种非常重要的结构。然而电荷再分布模数转换器的精度从一开始就受到电容阵列匹配精度的限制。近年来，冗余模数转换器及自适应概念的引入，为电荷再分布的电容失配和精度问题提供了新的解决方案。

冗余模数转换器，最初是指由小于2的等比DAC电容阵列构成的电荷再分布模数转换器，将冗余概念引入电荷再分布模数转换器的初衷是提高其速度。因为电荷再分布冗余模数转换器具有非常好的微分非线性(DNL)，所以现在常被用来实现自适应模数转换器。

引入自适应滤波器来完成电荷再分布模数转换器的校准是一种新兴的技术方案，这里主要指基于最小均方误差(LMS)算法的自适应滤波器。虽然引入自适应滤波器校准电荷再分布模数转换器在许多方面相对于传统校准方案很有优势，但是一个需要仔细考虑的问题就是相应的校准方案对模拟电路及数字电路的修改，以及随之而来的算法的校准精度，校准速度，以及模数转换器的速度，功耗，面积，输入信号范围等指标的折中。

发明内容

高速低功耗电荷再分布模数转换器(SAR ADC)中的DAC电容失配，降低DAC电容阵列的建立时间要求，提高ADC的速度，降低ADC的功耗。

为了达到上述目的，本发明提供了一种自适应电荷再分布模数转换器，包括：

DAC电容阵列，其包括多个比较电容和共享电容阵列，其中，所述共享电容阵列包括多个共享电容，所述多个共享电容被分配至所述多个比较电容中的至少一个以形成比较电容阵列；

开关网络，其用于将所述DAC电容阵列中的每个比较电容和共享电容连接至输入模拟信号或参考电平；

比较器，其在逐次逼近过程中，用于比较所述DAC电容阵列中的每个比较电容或每个比较电容和分配给其的至少一个共享电容提供的参考电平与输入信号余差信号的大小，并根据比较结果输出当前位的二进制码，所有比较完成后输出二进制串码；

逻辑控制电路，其用于控制开关网络，在输入模拟信号采样过程中，将所述DAC电容阵列中的每个比较电容和共享电容连接至输入模拟信号，而在逐次逼近过程中，从所述比较电容阵列最高位的电容开始，依次将其中的电容与参考电平接通，以给比较器提供参考电平；

自适应滤波器，其在数模转换过程中，根据逐次逼近过程中比较器输出的二进制串码计算得到所述输入模拟信号的数字转换结果，在自校准过程中，根据逐次逼近过程中比较器输出的二进制串码对电容权重向量进行更新。

本发明还提供了一种自适应电荷再分布模数转换器的模数转换方法，其包括：

输入模拟信号被DAC电容阵列采样并保持，所述DAC电容阵列包括多个比较电容和共享电容阵列，其中，所述共享电容阵列包括多个共享电容；

第一逐次逼近过程中，按照第一分配方式，将所述多个共享电容中的一个或多个分配至所述多个比较电容中的至少一个形成第一电容阵列，并从所述第一电容阵列的最高位电容开始，将其中的电容依次连通参考电平；比较当前电容提供的参考电平与输入模拟信号的余差信号，并根据比较结果输出当前位的二进制码，在比较完第一电容阵列中的所有电容提供的参考电平后，输出第一输出二进制串码；

第二次逼近过程中，按照第二分配方式，将所述多个共享电容中的一个或多个分配至所述多个比较电容中的至少一个形成第二电容阵列，并从所述第二电容阵列的最高位电容开始，将其中的电容依次连通参考电平；比较当前电容提供的参考电平与输入模拟信号的余差信号，并根据比较结果输出当前位的二进制码，在比较完第二电容阵列中的所有电容提供的参考电平后，输出第二输出二进制串码；

根据所述第一输出二进制串码、第二输出二进制串码以及第一电容阵列和第二电容阵列对应的不同权重向量，计算得到输入模拟信号的数字转换结果。

本发明还提供了一种自适应电荷再分布模数转换器的自校准方法，其包括：

第一逐次逼近过程中，按照第一分配方式，将多个共享电容中的一个或多个分配至多个比较电容中的至少一个形成第一电容阵列，并从所述第一电容阵列的最高位电容开始，将其中的电容依次连通参考电平；比较当前电容提供的参考电平与输入模拟信号的余差信号，并根据比较结果输出当前位的二进制码，在比较完第一电容阵列中的所有电容提供的参考电平后，输出第一输出二进制串码；

根据所述第一输出二进制串码、第二输出二进制串码更新第一电容阵列和第二电容阵列对应的不同权重向量。设计了一种基于共享电容阵列的自适应电荷再分布模数转换器的设计方法。

上述方案中，模数转换器的工作过程不受校准过程的影响。校准过程能实时跟踪环境变化，但是不影响该模数转换器的正常工作。

附图说明

图1为本发明的自适应模数转换器的结构示意图；

图2为本发明的自适应校准流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种结构简单的自适应电荷再分布模数转换器，通过引入共享电容阵列，在冗余模数转换器及自适应滤波器的支持下，能够完成模数转换器的自适应校准。以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做出进一步详细说明。

如附图1所示，本发明的自适应电荷再分布模数转换器包括引入共享电容阵列的DAC电容阵列，开关网络，比较器，逻辑控制电路，寄存器，自适应滤波器。其中1是共享电容阵列，2是比较器；所述DAC电容阵列包括并联连接的多个电容和共享电容阵列，所述共享电容阵列包括多个电容，且与所述多个电容并联连接。所述DAC电容阵列中的每个电容的上极板与比较器的第一输入端连接，下极板与开关网络连接；所述比较器2的第二输入端接地(共模电平Vcm)；在输入模拟信号采样阶段，所述开关网络用于将所述输入模拟信号接入至所有电容的下极板；在逐次逼近阶段，所述开关网络用于控制当前电容或当前电容和其对应的共享电容下极板连接至参考电平(正参考电平Vref或负参考电平-Vref)，而其他未进行比较的电容下极板连接至-Vref，此时所述当前电容或其对应的共享电容的上基板提供一输入信号的余差信号，且在比较器2的第二输入端提供合适的参考电平，以使比较器2比较当前DAC电容提供的参考电平和输入信号的余差信号并输出二进制码“0”或“1”；在逐次逼近阶段，从最高位的电容C_MSB开始至最低位电容C₁(电容C₀不参与逐次逼近)，依次为所述比较器2提供参考电平而进行比较得到数字输出信号的二进制码最高位至最低位；本发明在逐次逼近过程中，所述共享电容阵列中的每个电容将同时被分配到某位(如MSB位，MSB-1位)并参与比较；将当前电容C_MSB-ii和分配给其的共享电容C_n的下极板通过开关网络连接至Vref，如果当前DAC提供的参考电平小于输入信号的余差信号，则比较器输出0，其为此次比较得到的第MSB-i位的二进制码，之后进行下一电容C_MSB-i-1或下一电容C_MSB-i-1和分配给其的共享电容C_m的比较，此时与下一电容提供的参考电平比较的输入信号的余差信号依然是下一电容输入信号的余差信号；如果比较器的比较结果为当前电容C_MSB-i或当前电容C_MSB-i和分配给其的共享电容C_n提供的参考电平大于其输入信号的余差信号时，那么比较器输出1，逻辑控制电路根据所述比较器输出的结果控制开关网络将当前电容或当前电容和分配给其的共享电容的下极板连接至-Vref，并进行下一电容C_MSB-i-1或下一电容C_MSB-i-1和分配给其的共享电容C_m比较，而此时进行下一电容C_MSB-i-1或下一电容C_MSB-i-1和分配给其的共享电容C_m比较时，输入信号为上次比较的余差信号减去上一比较电容权重与2Vref的乘积值，当所有电容都比较完成后，比较器的所有输出结果组成第一输出二进制码D0，并将其输出给自适应滤波器。在得到第一输出二进制码D0后，重新对共享电容进行分配，并重复上述比较过程，得到第二输出二进制码D1；在进行模数转换时，得到所述第一输出二进制码D0和第二输出二进制码D1后，所述自适应滤波器根据所述第一输出二进制码D0和第二输出二进制码D1及其它们的权重值计算加权平均值，所述加权平均值为所述数模转换器对输入模拟信号的数字转换结果；在模数转换器的校准过程中，所述自适应滤波器根据所述第一输出二进制码和第二输出二进制码以及它们相应的权重向量，迭代更新第一输出二进制码和第二输出二进制码对应的权重向量。其中，比较器所进行比较的参考电平和输入信号的余差信号是当前进行比较的电容提供的参考电平和其进行电荷再分布之后提供的输入信号，其不同于原始的输入模拟信号。

上述方案中，模数转换器的DAC电容阵列引入了共享电容阵列；在共享电容阵列的支持下，模数转换器的逐次逼近过程可以具有多种方案；不同方案的模数转换过程都是有效的。

共享电容的相关原理(以两种工作模式H0和H1为例)如下：

对于DAC电容阵列，设DAC电容阵列

C＝(C_MSB，C_MSB-₁，......C₂，C₁，C₀，C_SMSB，C_SMSB-₁，......，C_S1)

其中

C_S＝(C_SMSB，C_SMSB-₁，......，C_S1)

称为共享电容阵列。

设C0和C1是电容总面积相等，分辨率相同但电容权重向量不同的两个DAC电容阵列。电容共享技术是指：在电容阵列C中，共享电容采用动态分配方案，使共享电容阵列在不同的分配方案下，能够实现C0和C1，即实现两个分辨率相同但电容权重向量不同的DAC，也即实现两个分辨率相同但电容权重向量不同的电荷再分布模数转换器。H0和H1称为对应C0和C1的自适应模数转换器的两种工作模式。

共享电容不单独作为C0和C1中的一位，而是作为C0和C1中某位的一部分；更重要的是它们不为某位所特有，比如，在C0工作模式下，某个共享电容可能是MSB位的一部分，而在C1工作模式下它则可能是MSB-1位的一部分。而相对于共享电容的其它电容，它们除了可能单独作为C0和C1中的一位以外，而且始终作为C0和C1中某特定位的一部分。

上述方案中，所述的数模转换器在H0和H1不同工作模式下，电容阵列均为冗余设计，数学关系为

其中C_i是C0或C1第i位电容的值。

H0和H1两种工作模式以及(1)同时保证校准过程收敛：对同一模拟信号，通过不同的量化方案，建立电容权重向量中各个元素的代数关系；在自适应滤波器的支持下，迭代估计收敛得到电容权重向量。

如附图1所示，模数转换器的工作过程如下，其中，H0和H1为不同逐次逼近方案的传输函数：

输入模拟信号被DAC电容阵列采样并保持；

H0工作模式下，通过逻辑控制电路及开关网络，分配共享电容阵列的每个电容至特定位(如MSB位，MSB-1位……)的一部分，即确定共享电容阵列的每个电容在逐次逼近中的次序；即将当前比较电容和分配给其的共享电容共同连接至Vref或-Vref上；

逐次逼近及电荷再分布，完成模拟信号量化，得到第一输出二进制码D0；

H1工作模式下，通过逻辑控制电路及开关网络，重新分配共享电容阵列的每个共享电容至特定位(如MSB位，MSB-1位……)；

逐次逼近及电荷再分布，完成模拟信号量化，得到第二输出二进制码D1；

输出D0和D1的加权平均值(D0·W0+D1·W1)/2；

返回a。

其中W0和W1为两组二进制串码的权重向量，由逐次逼近过程中每个二进制码对应的电容权重构成。

如附图2所示，模数转换器的校准过程如下：

输入模拟信号被DAC电容阵列采样并保持；

H0工作模式下，通过逻辑控制电路及开关网络，分配共享电容阵列的每个电容至特定位(如MSB位，MSB-1位……)；

逐次逼近及电荷再分布，完成模拟信号量化，得到输出二进制码D0；

逐次逼近及电荷再分布，完成模拟信号量化，得到输出二进制码D1；

D0和D1输入自适应滤波器，更新D0和D1对应的权重向量W0和W1；

返回a。

其中，自适应滤波器的工作过程如下：

输入D0，D1和W0，W1；

计算误差函数e＝D0·W0-D1·W1；

更新电容权重向量W0和W1：

W0＝W0-u·e·D0；

W1＝W1+u·e·D1。

返回a。

学习速率参数u取0.005。

本发明的自适应校准流程图如附图2所示。实际工作时，H0和H1是顺序进行的。设LSB电容的分布满足正态分布，且标准差为LSB电容值的20％，其它电容的分布也满足正态分布，且满足中心极限定理。相对于LSB电容，DAC电容阵列：

C＝1.85¹⁰-15，1.85⁹，1.85⁸，1.85⁷，1.85⁶，1.85⁵，1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1，1，8，4，2，1

其中，

CS＝8，4，2，1

是共享电容阵列。通过逻辑控制电路动态分配CS，可以实现C0和C1：

C0＝1.85¹⁰-15+8+4+2+1，1.85⁹，1.85⁸，1.85⁷，1.85⁶，1.85⁵，1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1，1

其中，共享电容″8”“4”“2”“1”被同时分配到MSB位。

C1＝1.85¹⁰-15，1.85⁹+8，1.85⁸+4，1.85⁷+2，1.85⁶+1，1.85⁵，1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1，1

其中，共享电容“8”被分配到MSB-1位，“4”被分配到MSB-2位，“2”被分配到MSB-3位，“1”被分配到MSB-4位。

而非共享电容1.85¹⁰-15，1.85⁹，1.85⁸，1.85⁷，1.85⁶，1.85⁵，1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1则分别一直作为MSB，MSB-1，MSB-2，……，LSB+1，LSB的一部分或全部，即在逐次逼近中的次序一直保持不变。

取相应的权重向量W0和W1的初值

W0＝W1＝(1.85¹⁰，1.85⁹，1.85⁸，1.85⁷，1.85⁶，1.85⁵，1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1，1)/∑C

∑C是C中各个电容的和，W0和W1存放在寄存器中。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的普通技术人员能够了接本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims

1.一种自适应电荷再分布模数转换器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述逐次逼近过程包括第一逐次逼近过程和第二逐次逼近过程，其中在第一逐次逼近过程，通过第一分配方式将所述多个共享电容分配至所述多个比较电容以形成第一电容阵列，在第二次逼近过程中，通过第二分配方式将所述多个共享电容分配至所述多个比较电容以形成第二电容阵列。

3.如权利要求2所述的模数转换器，其中，第一逐次逼近过程和第二逐次逼近过程中，所述第一电容阵列和第二电容阵列对应不同的权重向量。

4.如权利要求3所述的模数转换器，其中，在第一次逐次逼近过程和第二次逐次逼近过程中，分别根据第一电容阵列和第二电容阵列，比较器分别输出对应的第一输出二进制串码和第二输出二进制串码，所述自适应滤波器根据所述第一输出二进制串码、第二输出二进制串码以及第一电容阵列和第二电容阵列对应的不同权重向量计算得到输入模拟信号的数字转换结果。

5.如权利要求4所述的模数转换器，其中，在模数转换器的自校准过程中，所述自适应滤波器根据所述第一输出二进制串码、第二输出二进制串码更新第一电容阵列和第二电容阵列对应的不同权重向量。

6.如权利要求5所述的模数转换器，其中，如下更新第一分配方式和第二分配方式下所述多个比较电容和分配给其的共享电容所具有的不同权重：

W0＝W0-u·e·D0；

W1＝W1+u·e·D1

e＝D0·W0-D1·W1

其中，所述W0、W1分别为第一电容阵列和第二电容阵列对应的不同权重向量；D0、D1分别为第一输出二进制串码和第二输出二进制串码，u为预设的学习速率参数。

7.如权利要求1所述的模数转换器，其中，所述参考电平包括正参考电平和负参考电平，进行比较时，比较电容阵列中进行当前比较的电容连接至正参考电平，而比较电容阵列中的其他为进行比较的电容连接至负参考电平；如果比较结果为当前比较的电容值小于正参考电平，则逻辑控制电路控制开关网络将所述当前比较的电容连接至负参考电平，并进行下一电容的比较。

8.一种自适应电荷再分布模数转换器的模数转换方法，其包括：

9.一种自适应电荷再分布模数转换器的自校准方法，其包括：

根据所述第一输出二进制串码、第二输出二进制串码更新第一电容阵列和第二电容阵列对应的不同权重向量。