CN104467846B - 一种自适应电荷再分布模数转换器、转换方法及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态电容的自适应电荷再分布模数转换器、转换方法及校准方法。本发明中的模数转换器，通过引入动态电容，在白适应滤波器的支持下，能够完成模数转换器的白适应校准。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、电容及开关，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

本发明涉及模拟信号数字信号转换技术领域，尤其涉及一种基于动态电容的自适应电荷再分布模数转换器，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

有鉴于此，本发明提出了一种基于动态电容的自适应电荷再分布模数转换器，用于解决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。本发明的校准过程的收敛条件较低，而且不需要牺牲电路的其它性能。本发明提出的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一个动态电容；在逐次逼近过程的第一阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第一电容阵列，在逐次逼近的第二阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第二电容阵列；所述第一电容阵列和第二电容阵列中，所述动态电容的位置不同；

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

比较器，其在逐次逼近过程的第一阶段和第二阶段，用于分别比较所述第一电容阵列和第二电容阵列中的每个电容提供的参考电平与其输入信号的余差信号的大小，并根据比较结果分别输出第一输出二进制串码和第二输出二进制串码；

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动态电容连接至输入模拟信号，而在逐次逼近过程的第一阶段，从第一电容阵列最高位开始，依次将第一电容阵列中的每个电容的下极板与参考电平接通；在逐次逼近过程的第二阶段，从第二电容阵列最高位开始，依次将第二电容阵列中的每个电容与参考电平接通；

自适应滤波器，其在自校准过程中，根据逐次逼近过程的第一阶段和第二阶段，所述比较器输出的第一输出二进制串码和第二输出二进制串码对第一电容阵列和第二电容阵列对应的权重向量进行更新。

本发明还提出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一个动态电容；

逐次逼近过程的第一阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第一电容阵列，并从所述第一电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与其输入信号的余差信号，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；

在逐次逼近过程的第二阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第二电容阵列，并从所述第二电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与输入信号的余差信号，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，输出第一输出二进制串码；其中，所述第一电容阵列和第二电容阵列中，所述动态电容的位置不同；

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

本发明还提出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：

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一个动态电容；

逐次逼近过程的第一阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第一电容阵列，并从所述第一电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与其输入信号的余差信号，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；

在逐次逼近过程的第二阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第二电容阵列，并从所述第二电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与输入信号的余差信号，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权重向量。

传统逐次逼近模数转换器对模拟信号的转换往往只有一种转换方式，引入动态电容以后，依赖动态电容在逐次比较过程中的灵活性，可以对模拟信号由多种转换方式。考虑到实际电路中的失配，对相同模拟信号的不同转换方式的结果可以用来估计电容的真实值，即对失配参数进行估计。因此，动态电容可以允许电容有较大的失配，于是使得更小的单位面积的电容的使用成为可能，在此基础上降低ADC的功耗，提高ADC的速度。

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，通过引入动态电容，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动态电容的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是动态电容，2是比较器。所述DAC电容阵列包括一个动态电容C_D和多个比较电容C_MSB，C_MSB-1，......C₂，C₁，C_0，，它们之间并列连接，所有电容的上极板接入比较器的第一输入端即负输入端，比较器2的第二输入端即正输入端接地(共模电平Vcm)；所有电容的下极板连接至开关网络，在输入模拟信号的采样过程中，逻辑控制电路控制所述输入模拟信号通过开关网络连接至所有电容的下极板，在逐次逼近过程，所述逻辑控制电路控制所述开关网络将当前进行比较的电容连接至参考电平(包括正参考电平Vref和负参考电平-Vref)，而其他电容均连接至负参考电平-Vref，此时当前电容的下极板提供参考电平至比较器，而由于前述的输入模拟采样过程，所述电容的上极板具有不同的输入信号，比较器2比较当前电容提供的参考电平和其输入信号的余差信号；所述比较器2比较当前电容如C_MSB提供的参考电平与其输入信号的余差信号，以得到比较结果；比较器每完成一次比较，输出一位对应于当前电容的二进制输出结果，在比较完所有电容之后，输出一二进制串码。具体地，所述逐次逼近过程包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段，所述多个比较电容和所述动态电容组成第一电容阵列，并且将第一电容阵列中的每个电容按次序依次连接至参考电平后进行比较，并由比较器得出第一电容阵列对应的第一输出二进制串码的相应位，最终比较完第一电容阵列的所有电容后，得到第一输出二进制串码；在第二阶段所述多个比较电容和所述动态电容组成第二电容阵列，并且将第二电容阵列中的每个电容按次序依次连接至参考电平后进行比较，并由比较器得出第二电容阵列对应的第二输出二进制串码的相应位，最终比较完第二电容阵列的所有电容后，得到第二输出二进制串码；其中，第一电容阵列和第二电容阵列中所述动态电容的顺序位置不同；所述逻辑控制电路控制所述开关网络从所述第一电容阵列或第二电容阵列的最高位的电容开始至最低位的电容的下极板依次与正参考电平连接，而不进行比较的其他电容的下极板均接负参考电容。如果比较器的比较结果为当前电容提供的参考电平大于其输入信号的余差信号时，则比较器输出1，其为此次比较得到的二进制码相应位，之后进行下一电容C_i-1的比较；如果比较器的比较结果为当前电容提供的参考电平小于其输入信号时，那么比较器输出0，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比较电容的下极板连接至负参考电平-Vref，并进行下一电容比较，而此时进行下一电容比较时，与下一电容提供的参考电平进行比较的其输入信号的余差信号为上一电容的的输入信号的余差信号减去上一电容的权重值与2Vref的乘积值。逐次逼近过程的两个阶段完成以后，在数模转换时，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、第一电容阵列对应的权重向量和第二电容阵列对应的权重向量计算得到输入模拟信号的数字转换结果，在数模转换器的自校准过程中，所述自适应滤波器根据所述所述第一输出二进制串码、第二输出二进制串码更新所述第一电容阵列对应的权重向量和第二电容阵列对应的权重向量；寄存器存储DAC电容阵列的权重向量。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电容阵列引入了动态电容；相对于传统逐次逼近过程，动态电容在模数转换过程中的逐次逼近次序是随机的。动态电容的相关原理如下：

设由DAC电容阵列构成的向量

C＝(C_MSB，C_MSB-1，......C₂，C₁，C_0，C_D)

其中，C_D为动态电容，而且，对于i≠D，均有

如果k满足

C_k≤C_D＜C_k+1

在逐次逼近过程中，以先后顺序，只要C_D的逼近次序优于C_k，则量化方案都是可行的。也就是说，选择合适的C_D，在逐次逼近的过程中，C_D的次序是可以是随机的，即同一模拟信号可以通过不同的逐次逼近过程完成模数转换但是得到正确的二进制转换结果。

对同一模拟信号，通过不同的模数转换方案量化得到的不同的二进制转换结果，可以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W。

上述方案中，模数转换器的工作过程如下：

a.输入模拟信号被DAC电容阵列采样并保持：所有电容的下极板接输入信号，上极板接Vcm；

b.逐次逼近及电荷再分布，完成模拟信号量化，对应W，得到输出二进制码D0；

c.在满足C_D的逼近次序优于C_k的条件下，随机改变动态电容在逐次逼近过程中的次序，完成模拟信号量化，对应W，得到输出二进制码D1；

d.输出D0和D1的加权平均值(D0·W+D1·W)/2作为模数转换器的最终输出结果。

e.返回a。

其中，W是DAC电容阵列C的权重向量，存放在寄存器中。步骤b中传统的(不涉及动态电容C_D)逐次逼近及电荷再分布的原理如下：

a.断开所有电容的上极板与Vcm的开关；

b.将C_MSB电容的下极板接Vref，剩余电容的下极板接-Vref，电容的下极板将完成电荷再分布；

c.当电荷再分布完成，打开比较器，比较器输出数字信号中MSB位的比较结果“0”或“1”，该输出结果在最终输出数字信号中的权重为当前电容C_i在所有电容总和中的权重，即比值；

d.如果输出结果为“1”，保留C_MSB电容下极板与Vref的连接，如果为“0”，将C_MSB电容下极板连接-Vref；

e.以同样的方式，逐次完成C_MSB-1，C_MSB-2，……的电荷再分布，相应得到输出数字信号中的其余二进制码。

为了更进一步理解逐次逼近及电荷再分布的原理，尤其注意：

a.逐次逼近是一个从高位(MSB)到低位顺序执行的过程，即存在优先次序；

b.每次比较得到的二进制码的权重为相应位的电容在所有电容总和的权重；所有电容的权重构成电容权重向量W。

在引入动态电容的模数转换器中，动态电容C_D位的逐次逼近次序是随机的(其它位的相对位置不变)，即只要C_D的逼近次序优于C_k，模数转换的结果都是正确的。

上述方案中，自适应滤波器的工作过程如下：

a.输入D0，D1和W；

b.计算误差函数e＝(D0-D1)·W；

c.更新电容权重向量W＝W-u·e·(D0-D1)；

d.返回a。

其中u为学习速率参数，根据模数转换器精度，校准过程的收敛速度和收敛精度折中选择。

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。

下面结合具体实施例作更进一步的说明。

本发明的自适应校准流程图如附图2所示。H0和H1为不同逐次逼近方案的传输函数。以LSB电容的值为单位电容，电容值满足正态分布，且标准差为其值的20％，其它电容的分布也满足正态分布，且满足中心极限定理。相对于单位电容，DAC电容阵列构成的向量

C＝1.85⁵+1，1.85¹⁰，1.85⁹，1.85⁸，1.85⁷，1.85⁶，1.85⁵，

1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1，1

1.85⁵+1为动态电容对单位电容的比值。因为

1.85⁵≤1.85⁵+1＜1.85⁶

于是，只要动态电容的逼近次序优于1.85⁵，则相应的逐次逼近方案都是可行的。取相应的权重向量W的初值

W＝(1.85⁵+1，1.85¹⁰，1.85⁹，1.85⁸，1.85⁷，1.85⁶，1.85⁵，

1.85⁴，1.85³，1.85²，1.85¹，1，1)/∑C

∑C是C中各个电容的和，W存放在寄存器中。

如附图1所示，模数转换器的工作过程如下：

a.输入模拟信号被DAC电容阵列采样并保持；

b.逐次逼近及电荷再分布，完成模拟信号量化，对应W，得到输出二进制码D0；

c.在满足动态电容1.85⁵+1的逼近次序优于电容1.85⁵的条件下，随机改变动态电容在逐次逼近过程中的次序，完成模拟信号量化，对应W，得到输出二进制码D1；

d.输出D0和D1的加权平均值(D0+D1)·W/2作为模数转换器最终的输出结果；

e.返回a。

如附图2所示，自适应滤波器的工作过程如前所述。附图中采用对称的方式描述，但实质是一样的。其中学习速率参数u取0.005。

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 (8)

1.一种自适应电荷再分布模数转换器，其特征在于，包括：

DAC电容阵列，其包括多个比较电容和一个动态电容；在逐次逼近过程的第一阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第一电容阵列，在逐次逼近的第二阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第二电容阵列；所述第一电容阵列和第二电容阵列中，所述动态电容的位置不同；

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

比较器，其在逐次逼近过程的第一阶段和第二阶段，用于分别比较所述第一电容阵列和第二电容阵列中的每个电容提供的参考电平与其输入信号的余差信号的大小，并根据比较结果分别输出第一输出二进制串码和第二输出二进制串码；

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动态电容连接至输入模拟信号，而在逐次逼近过程的第一阶段，从第一电容阵列最高位开始，依次将第一电容阵列中的每个电容的下极板与参考电平接通；在逐次逼近过程的第二阶段，从第二电容阵列最高位开始，依次将第二电容阵列中的每个电容与参考电平接通；

自适应滤波器，其在自校准过程中，根据逐次逼近过程的第一阶段和第二阶段，所述比较器输出的第一输出二进制串码和第二输出二进制串码对第一电容阵列和第二电容阵列对应的权重向量进行更新。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其中，逐次逼近过程的第一阶段和第二阶段，第一电容阵列和第二电容阵列对应的权重向量相同。

3.如权利要求2所述的模数转换器，其中，所述自适应滤波器还在模数转换过程中，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权重向量计算得到输入模拟信号的数字转换结果。

4.如权利要求3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权重向量。

5.如权利要求4所述的模数转换器，其中，如下更新第一电容阵列和第二电容阵列对应的权重向量：

W＝W-u·e·(D0-D1)；

e＝(D0-D1)·W

其中，所述W为第一电容阵列和第二电容阵列对应的权重向量；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。

6.如权利要求1-5任一项所述的模数转换器，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，第一电容阵列或第二电容阵列中进行当前比较的电容连接至正参考电平，而第一电容阵列或第二电容阵列中的其他电容连接至负参考电平；如果比较结果为当前比较的电容输入信号的余差信号小于正参考电平，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。

7.一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一个动态电容；

逐次逼近过程的第一阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第一电容阵列，并从所述第一电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与其输入信号的余差信号，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；

在逐次逼近过程的第二阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第二电容阵列，并从所述第二电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与输入信号的余差信号，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；其中，所述第一电容阵列和第二电容阵列中，所述动态电容的位置不同；

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

8.一种自适应电荷再分布模数转换器的自校准方法，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一个动态电容；

逐次逼近过程的第一阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第一电容阵列，并从所述第一电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与其输入信号的余差信号，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；

在逐次逼近过程的第二阶段，所述多个比较电容和动态电容组成第二电容阵列，并从所述第二电容阵列中最高位电容开始，依次将所述第一电容阵列中的电容连接至参考电平；比较当前提供的参考电平与输入信号的余差信号，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，更新第一电容阵列和第二电容阵列对应的权重向量。