CN106656185B - 具有数字双采样功能的单斜式模数转换器、芯片及终端 - Google Patents

具有数字双采样功能的单斜式模数转换器、芯片及终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有数字双采样功能的单斜式模数转换器、芯片及终端。在该单斜式模数转换器中，第一采样开关连接在模拟信号输入端和第一采样电容的第一极板之间，第二采样开关连接在高基准电压和第一采样电容的第一极板之间；斜坡发生器的斜坡信号输出端连接第二采样电容的第一极板；第一采样电容和第二采样电容的第二极板分别连接差分比较器的负、正输入端；差分比较器的负、正输入端分别通过比较器复位开关连接到差分比较器的正、负输出端；同时，差分比较器的正、负输出端分别连接锁存器的正、负输入端；锁存器的输出信号连接计数器的使能端，计数器输出的数字信号为单斜式模数转换器的模数转换结果。

Description

具有数字双采样功能的单斜式模数转换器、芯片及终端
技术领域
本发明涉及一种单斜式模数转换器，尤其涉及一种具有数字双采样功能的单斜式模数转换器，同时也涉及采用该单斜式模数转换器的集成电路芯片及相应的通信终端，属于模拟集成电路技术领域。
背景技术
模数转换电路的作用在于将传感器感知到的模拟信号转换为数字信号，以便后续的数字信号处理电路进行处理和存储。它是连接模拟信号与数字信号的关键电子电路之一，被广泛应用在各种模拟信号传感器中。
单斜式模数转换器是一种结构简单、可靠性高且具有中等精度和中等转换速度的模数转换器，因其结构特点被广泛应用在多传感器并行传感系统中，例如图像传感器芯片等。现有技术中提供的单斜式模数转换器的结构通常如图1所示，其主要由比较器、脉冲锁存器、寄存器、计数器和斜坡发生器等电路组成。它的工作过程如下：首先采样输入的模拟信号，同时计数器开始计数，比较器对斜坡发生器输出的斜坡信号与输入的模拟信号进行比较，当斜坡信号大于输入信号时，比较器输出将会出现上升沿翻转，脉冲锁存器将此上升沿转换为一个脉冲，这个脉冲控制寄存器将此时计数器输出的数字编码进行保存，该数字编码即为单斜式模数转换器对模拟输入信号的量化结果。
在传统的图像传感器芯片中，斜坡发生器和计数器电路属于列共享电路，而比较器、脉冲锁存器和寄存器是每列独立的电路。因此，比较器和斜坡发生器共同决定了模数转换器的线性度。在多模拟量模数转换应用中，斜坡发生器可以共用，这样大幅降低了模数转换的非一致性，例如当单斜式模数转换器充当图像传感器中列并行模数转换器时。在这种情况下，比较器的性能成为影响模数转换结果一致性的关键因素。
在现有技术中，消除这一影响的主要办法就是单纯提升比较器的性能，例如提升比较器的增益和带宽等，但这样势必提升了比较器的复杂度以及对芯片面积和功耗的消耗。
在申请号为201610402539.9的中国专利申请中，中国科学院微电子研究所提供了一种具有误差自动校正的单斜式模数转换器电路。该电路包含检测子系统和模数量化子系统。检测子系统包括可调基准电压产生电路、比较器、开关电容减法电路、循环模数转换器、译码器。利用可调基准电压产生电路、斜坡信号和比较器直接实现对于误差方向的判断，进而确定斜坡起始信号的调整方向；通过开关电容减法电路、循环模数转换器和译码器直接量化误差的大小，从而确定斜坡起始信号需要被调整的值。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种具有数字双采样功能的单斜式模数转换器。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该单斜式模数转换器的集成电路芯片及相应的通信终端。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种具有数字双采样功能的单斜式模数转换器。它包括两个采样开关、两个采样电容、差分比较器、锁存器、计数器、斜坡发生器和比较器复位开关；其中，
第一采样开关连接在所述单斜式模数转换器的模拟信号输入端和第一采样电容的第一极板之间，第二采样开关连接在所述单斜式模数转换器的高基准电压和第一采样电容的第一极板之间；
所述斜坡发生器的斜坡信号输出端连接第二采样电容的第一极板；
第一采样电容和第二采样电容的第二极板分别连接所述差分比较器的负、正输入端；所述差分比较器的负、正输入端分别通过所述比较器复位开关连接到差分比较器的正、负输出端；同时，所述差分比较器的正、负输出端分别连接所述锁存器的正、负输入端；
所述锁存器的输出信号连接所述计数器的使能端，所述计数器输出的数字信号为所述单斜式模数转换器的模数转换结果。
其中较优地，高基准电压和低基准电压分别输入到所述斜坡发生器中，作为斜坡信号的最大值和最小值。
其中较优地，在第一次采样和量化阶段中，第二采样开关和比较器复位开关导通，采样电容完成对基准电压和斜坡发生器初始电压的采样，比较器完成复位操作；
所述比较器复位开关断开，所述比较器开始工作，第二采样开关仍然闭合，所述斜坡发生器的输出先跳变然后以固定斜率向下变化，所述计数器向下计数直到所述比较器出现跳变；
所述锁存器将所述跳变锁存后控制所述计数器停止计数。
其中较优地，在第二次采样和量化阶段中，第一采样开关关断，第二采样开关闭合，此时第一采样电容的左极板电压变为Vin，右极板电压向下变化Vrefh－Vin；与此同时，所述斜坡发生器的输出电压先跳变回Vrefh，待稳定一段时间后开始以同第一次采样和量化阶段中相同的速率向下变化；所述计数器开始向上计数，当所述斜坡发生器的输出电压也变化Vrefh－Vin时，所述比较器再次出现翻转；
所述锁存器记录所述翻转并控制所述计数器停止计数；其中，所述Vin是模拟输入信号，所述Vrefh是高基准电压。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，其中包括有上述的单斜式模数转换器。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种通信终端，其中包括有上述的单斜式模数转换器。
与现有技术相比较，本发明所提供的具有数字双采样功能的单斜式模数转换器通过两次信号采样和模数转换，消除了比较器的各种非理想因素所产生的偏差，提升了单斜式模数转换器的一致性，并降低了对比较器性能参数的要求。
附图说明
图1为传统的单斜式模数转换器的结构示意图；
图2为本发明所提供的具有数字双采样功能的单斜式模数转换器的结构示意图；
图3为本发明所提供的具有数字双采样功能的单斜式模数转换器的控制时序图；
图4为图3所示控制时序的一个实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
为了提升多个传统单斜式模数转换器并行工作时量化结果的一致性，并降低对模数转换器中比较器的性能要求，本发明提供了一种具有数字双采样功能的单斜式模数转换器。它通过数字双采样技术大幅抑制了单斜式模数转换器的非一致性，并降低了对比较器的性能要求。
如图2所示，本发明所提供的新型单斜式模数转换器主要由两个采样开关ΦS1和ΦS2、两个采样电容C1和C2、一个差分比较器、一个锁存器、一个计数器、一个斜坡发生器和比较器复位开关ΦAZ组成，它们之间的具体连接关系说明如下：采样开关ΦS1连接在单斜式模数转换器的模拟信号输入端Vin和采样电容C1的左极板之间；采样开关ΦS2连接在单斜式模数转换器的高基准电压Vrefh和采样电容C1的左极板之间；斜坡发生器的斜坡信号输出端连接到采样电容C2的左极板；采样电容C1和C2的右极板分别连接到差分比较器的负、正输入端；差分比较器的负、正输入端分别通过比较器复位开关ΦAZ连接到差分比较器的正、负输出端；同时，差分比较器的正、负输出端分别连接到锁存器的正、负输入端，锁存器的输出信号连接到计数器的使能端(EN)，计数器输出的数字信号为单斜式模数转换器输出的模数转换结果。
需要说明的是，上述采样电容中的左极板和右极板仅为举例说明。由于两者功能相同，因此左极板和右极板之间可以互换，在此就不具体说明了。
上述单斜式模数转换器的控制时序和工作过程如图3所示。其中，高、低两个基准电压Vrefh和Vrefl输入到斜坡发生器中作为斜坡信号的最大值和最小值，即此单斜式数模转换器的量化范围。首先，采样开关ΦS2和比较器复位开关ΦAZ导通，此时斜坡发生器输出的电压值为Vrefh－VX，其中VX的具体值可以根据比较器的非理想程度进行设置，这时采样电容完成了对基准电压和斜坡发生器初始电压的采样，比较器完成了复位操作；然后比较器复位开关ΦAZ断开，比较器开始工作，此时采样开关ΦS2仍然闭合，斜坡发生器的输出先跳变至Vrefh然后以固定斜率向下变化至Vrefh－2VX，该阶段计数器将向下计数直到比较器出现跳变，锁存器将此跳变锁存后控制计数器停止计数。以上操作是单斜式模数转换器的第一次采样和量化阶段。在此阶段中，计数器输出的计数值(记为－D1)包含了比较器的各种非理想因素导致的偏差，主要包括比较器的有限增益误差、比较器的响应延时误差和比较器的失调电压。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，假设单斜式模数转换器的高、低基准电压分别为2.5V和1.5V，斜坡发生器的初始输出电压值为2.4V。在第一次采样和量化中，斜坡发生器先跳变至2.5V，然后在256个计数周期内线性下降至2.3V。在理想情况下，斜坡发生器变化至2.4V时，比较器会出现翻转，但当考虑比较器的各种非理想因素时，翻转点可能高于2.4V也可能低于2.4V。在此阶段，计数器的输出值－D1将反应比较器的各种非理想因素造成的计数偏差。其能接受的最大计数偏差对应的模拟量为－0.1V～+0.1V。
接下来，单斜式模数转换器的第二次采样和量化阶段参见图3所示：采样开关ΦS2关断，采样开关ΦS1闭合，这时采样电容C1的左极板电压变为Vin，采样电容C1的右极板电压向下变化Vrefh－Vin。与此同时，斜坡发生器的输出电压先跳变回Vrefh，待稳定一段时间后开始以同第一次采样和量化阶段时相同的速率向下变化；这时，计数器开始以计数结果－D1为起始点向上计数，当斜坡发生器的输出电压也变化Vrefh－Vin时，比较器再次出现翻转，锁存器记录此翻转并控制计数器停止计数。此时，计数器的输出为D2，至此完成了第二次采样和量化阶段的操作。
经过如上所述的两次采样和量化后，单斜式模数转换器输出的数字码D2即为模拟电压Vrefh－Vin的模数转换结果。因为两次转换中使用的是同一个比较器电路，因此比较器的非理想性对两次比较结果产生的影响是一样的，但是因为两次模数转换中计数器一次是向下计数，一次是向上计数，因此比较器的各种非理想因素所产生的计数误差被抵消掉，所以最终转换结果不受比较器的有限增益、响应延时和失调电压影响。因为Vrefh是已知的基准电压，因此可从D2中计算出模拟输入信号Vin对应的数字转换值。
在图4所示的实施例中，在第二次采样和量化阶段，斜坡发生器首先恢复至2.5V，然后在1280个计数周期内线性下降至1.5V。因此在第二次采样和量化阶段计数器输出的数字码D2为本发明所提供的单斜式模数转换器的最终转换结果，由此完成了对输入模拟信号的10－bit量化处理。
与现有技术相比较，本发明所提供的具有数字双采样功能的单斜式模数转换器通过两次信号采样和模数转换，消除了比较器的各种非理想因素所产生的偏差，提升了单斜式模数转换器的一致性，并降低了对比较器性能参数的要求。
上述实施例中所示出的单斜式模数转换器可以被用在芯片(例如图像传感器芯片)中。对该图像传感器芯片中的单斜式模数转换器结构，在此就不再一一详述了。
另外，上述单斜式模数转换器还可以被用在通信终端中，作为模拟信号传感器的重要组成部分。这里所说的通信终端指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的计算机设备，包括但不限于移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，该单斜式模数转换器也适用于其他模拟信号传感器应用的场合，例如各种类型的工业机器人等，在此就不一一详述了。
上面对本发明所提供的具有数字双采样功能的单斜式模数转换器、芯片及终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种具有数字双采样功能的单斜式模数转换器，其特征在于包括两个采样开关、两个采样电容、差分比较器、锁存器、计数器、斜坡发生器和比较器复位开关；其中，
第一采样开关连接在所述单斜式模数转换器的模拟信号输入端和第一采样电容的第一极板之间，第二采样开关连接在所述单斜式模数转换器的高基准电压和第一采样电容的第一极板之间；
所述斜坡发生器的斜坡信号输出端连接第二采样电容的第一极板；
第一采样电容和第二采样电容的第二极板分别连接所述差分比较器的负、正输入端；所述差分比较器的负、正输入端分别通过所述比较器复位开关连接到差分比较器的正、负输出端；同时，所述差分比较器的正、负输出端分别连接所述锁存器的正、负输入端；
所述锁存器的输出信号连接所述计数器的使能端，所述计数器输出的数字信号为所述单斜式模数转换器的模数转换结果；其中，所述计数器在两次采样和量化阶段中，通过向下计数和向上计数的结合抵消所述比较器的计数误差。
2.如权利要求1所述的单斜式模数转换器，其特征在于：
高基准电压和低基准电压分别输入到所述斜坡发生器中，作为斜坡信号的最大值和最小值。
3.如权利要求1或2所述的单斜式模数转换器，其特征在于在第一次采样和量化阶段中，
第二采样开关和比较器复位开关导通，采样电容完成对基准电压和斜坡发生器初始电压的采样，比较器完成复位操作；
所述比较器复位开关断开，所述比较器开始工作，第二采样开关仍然闭合，所述斜坡发生器的输出先跳变然后以固定斜率向下变化，所述计数器向下计数直到所述比较器出现跳变；
所述锁存器将所述跳变锁存后控制所述计数器停止计数。
4.如权利要求3所述的单斜式模数转换器，其特征在于在第二次采样和量化阶段中，
第一采样开关关断，第二采样开关闭合，此时第一采样电容的左极板电压变为Vin，右极板电压向下变化Vrefh－Vin；与此同时，所述斜坡发生器的输出电压先跳变回Vrefh，待稳定一段时间后开始以同第一次采样和量化阶段中相同的速率向下变化；所述计数器开始向上计数，当所述斜坡发生器的输出电压也变化Vrefh－Vin时，所述比较器再次出现翻转；
所述锁存器记录所述翻转并控制所述计数器停止计数；其中，
所述Vin是模拟输入信号，所述Vrefh是高基准电压。
5.一种集成电路芯片，其特征在于所述集成电路芯片中包括有权利要求1～4中任意一项所述的单斜式模数转换器。
6.一种通信终端，其特征在于所述通信终端中包括有权利要求1～4中任意一项所述的单斜式模数转换器。
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