CN107332564B - 一种提高adc转换精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高ADC转换精度的装置，包括采样电压放大模块；所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路。一种提高ADC转换精度的方法，用于所述的提高ADC转换精度的装置，设置采样电压放大模块，所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路。可以有效提高转换精度，也同时满足了转换电压范围的需求，所使用的电路设计也并不复杂，广泛应用于数模转换领域。

Description

一种提高ADC转换精度的装置及方法

技术领域

本发明涉及数模转换领域，具体为提高ADC转换精度的装置及方法。

背景技术

随着信息和微电子科技的发展，系统级芯片的使用已成为当前半导体技术的一个主流发展趋势，数字信号处理技术已经广泛应用于军事、民用等领域，数字化也在各个技术领域不断进化加深，因此需要将我们身边的模拟信号处理成数字信号进行处理分析。模数转换器ADC就是连接模拟和数字信号的接口，有多少数字应用就有多少相应的ADC模块为其进行转换。对于现有的ADC来讲被广泛应用的主要有逐次逼近型ADC、闪电式ADC、流水线ADC等。多种模式的ADC满足着不同性能需要的应用环境，其需要采集转换的模拟量也是分布在不同的电压段。对于ADC高效应用的需求，是希望所接触的一切模拟量都能都精确更广泛的转换应用。作为信号处理转换关键部分的ADC也被要求快速的转换速率、高的转换精度。但在实际产品中ADC的转换精度都难以做到实际的标称值，较好的产品在标称值上存在±1LSB都是正常的，但这样需要大面积的电路设计和高精度的设计支持，大多数产品都与设计的标称值相差较远，这是因为转换精度的不足。

常用ADC均采用如下所示的转换电压计算规则，V_IN＝V_REF[b₀2^-1+b₁2^-2+…+b_N-12^-N]，其精度为LSB，即V_REF*2^-N。为了能够适应更多的使用环境，现有技术多采用尽量高的V_REF值去应对各种使用方案。但高的V_REF值在面对采样值较小的情况下必然会加剧转换精度值不足的现象，即当需要转换低的模拟量时，ADC的转换精度就会显的不足，因为ADC的转换精度为最小LSB,因此存在应用范围和精度的冲突。

因此，该技术有必要进行改进。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种提高ADC转换精度的装置及方法，使ADC可以既满足应用范围又具备更高的转换精度。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种提高ADC转换精度的装置，包括采样电压放大模块；所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路。

作为该技术方案的改进，所述采样电压放大模块包括一个运算放大器、选择电压模块和第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第一输入端、第二输入端；

所述采样电压放大模块还包括第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第七传输门、第八传输门、第九传输门及第十传输门；

所述运算放大器的正极输入端与第一电容的正极连接，所述第一电容的负极分别与第一传输门的第四管脚及第二传输门的第四管脚连接；

第五传输门的第三管脚与所述运算放大器的正极输入端连接，同时与所述第一电容的正极连接；

所述运算放大器还包括第一输出端和第二输出端；

所述运算放大器的正极输入端还与第二电容的负极连接；所述第二电容的正极分别与第八传输门的第三管脚以及第九传输门的第四管脚连接；所述第九传输门的第三管脚与所述运算放大器的第一输出端连接；

所述运算放大器的负极输入端与第三电容的正极连接；所述第三电容的负极分别与第四传输门的第四管脚及第三传输门的第四管脚连接；第六传输门的第四管脚与所述运算放大器的负极输入端连接，同时与所述第三电容的负极连接；

所述运算放大器的负极输入端还与第四电容的负极连接；所述第四电容的正极还分别与第十传输门的第三管脚以及第七传输门的第四管脚连接；所述第十传输门的第四管脚与第二输出端连接；

其中，所述第一传输门的第三管脚及第四传输门的第三管脚分别与中间电平连接；

所述第二传输门的第三管脚及第三传输门的第三管脚分别与第一输入端、第二输入端连接；

所述第五传输门的第四管脚与所述第六传输门的第三管脚均分别与中间电平连接；

所述第八传输门的第四管脚和所述第七传输门的第三管脚分别与选择电压模块连接。

作为该技术方案的改进，所述选择电压模块包括若干传输门，其中各传输门的输入端分别接不同电压。

另一方面，本发明还提供一种提高ADC转换精度的方法，用于所述的提高ADC转换精度的装置，包括设置采样电压放大模块，所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路。

进一步地，分别打开第一传输门、第四传输门、第九传输门、第十传输门，将中间电平分别接入第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，待各电容均充满后关闭所述各传输门；

分别打开第五传输门、第六传输门，以及第二传输门、第三传输门、第七传输门、第八传输门，将第一输入端电压和第二输入端电压分别接入至第一电容的负极及第三电容的负极；将选择电压模块分别接入第二电容的正极和第四电容的正极；

所述各电容充满电后先关闭第五传输门和第六传输门，然后分别关闭所述第二传输门、第三传输门、第七传输门、第八传输门；

延时并开启所述第一传输门、第四传输门、第九传输门、第十传输门，将储存在所述各电容的电压传输至第一输出端、第二输出端。

进一步地，所述采样电压的放大倍数

其中C1、C2、C3、C4分别为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的值。

进一步地，所述选择电压模块包括若干传输门，所述各传输门的输入端分别与不同电压连接，用于进行电压选择。

本发明的有益效果是：本方案提供的提高ADC转换精度的装置及方法，将ADC采样到的电压进行放大处理，这样在初级就可以得到更大的采用值，为后面的电压转换做准备，可以辅助ADC提高转换精度，达到转换精度和范围同时兼具的效果，且所使用的电路设计也不会太复杂。通过在采样初期对采到的数据进行比例放大或者缩小，并在超出范围量程时减去一定的值，即可一直采用较大值的VREF进行转化，只需要将结果同比例缩小就可以得到一直精确的转换值；且在一些需要满量程转换模拟量变化值的情况下，也可以采用此方案，可以在模拟量最大值时得到满量程，更大程度的提高转换精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是现有技术流水线型ADC的示意图；

图2是现有技术mbitADC的示意图；

图3是本发明第一实施例的示意图；

图4是本发明第一实施例的时序示意图；

图5是本发明第一实施例的选择电压模块示意图；

图6是本发明第二实施例的结果示意图；

图7是本发明第二实施例的时序控制示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1-2，均为现有技术的ADC转换电路示意图。其中流水线型ADC采用多个低精度的闪速型ADC(mbitADC)对采样数据进行分级量化，然后将各级的结果组合起来，构成一个高精度的量化输出。每一级由采样保持电路S/H，低精度模数转换ADC和数模转换器DAC、求和电路及级间放大器X2n-1构成。然而由于mbitADC一般精度比较低，所以整体的转换精度不高。当需要转换的模拟信号值比较小时，仍采用较大的V_REF必然加剧转换不准确的情况。如需要转换的模拟量最小变化为2mV时，如果采用VREF电压为4.096V，则一个10位ADC的最小分辨电压为4mV，就不能分辨此时模拟量的变化，因此就需要采用额外的V_REF电压，这就增加了电路的复杂性和版图面积，且采用更小的VREF电压也对ADC的比较器精度有很大的要求，高精度的比较器需要更多的反应时间来进行比较，而且可以转换的范围也变小了。

参照图3、图4、图5，是本发明第一实施例的示意图。本实施例以流水型ADC为例进行说明。本发明提供一种提高ADC转换精度的装置，包括采样电压放大模块；所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路。

作为该技术方案的改进，所述采样电压放大模块包括一个运算放大器、选择电压模块和第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第一输入端、第二输入端；

所述采样电压放大模块还包括第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第七传输门、第八传输门、第九传输门及第十传输门；

所述运算放大器的正极输入端与第一电容的正极连接，所述第一电容的负极分别与第一传输门的第四管脚及第二传输门的第四管脚连接；

第五传输门的第三管脚与所述运算放大器的正极输入端连接，同时与所述第一电容的正极连接；

所述运算放大器还包括第一输出端和第二输出端；当然，本方案的两个输出端根据不同ADC转换电路的需要可为一个输出端等。

所述运算放大器的正极输入端还与第二电容的负极连接；所述第二电容的正极分别与第八传输门的第三管脚以及第九传输门的第四管脚连接；所述第九传输门的第三管脚与所述运算放大器的第一输出端连接；

所述运算放大器的负极输入端与第三电容的正极连接；所述第三电容的负极分别与第四传输门的第四管脚及第三传输门的第四管脚连接；第六传输门的第四管脚与所述运算放大器的负极输入端连接，同时与所述第三电容的负极连接；

所述运算放大器的负极输入端还与第四电容的负极连接；所述第四电容的正极还分别与第十传输门的第三管脚以及第七传输门的第四管脚连接；所述第十传输门的第四管脚与第二输出端连接；

其中，所述第一传输门的第三管脚及第四传输门的第三管脚分别与中间电平连接；

所述第二传输门的第三管脚及第三传输门的第三管脚分别与第一输入端、第二输入端连接；

所述第五传输门的第四管脚与所述第六传输门的第三管脚均分别与中间电平连接；

所述第八传输门的第四管脚和所述第七传输门的第三管脚分别与选择电压模块连接。

作为该技术方案的改进，所述选择电压模块包括若干传输门，其中各传输门的输入端分别接不同电压。

分别打开第一传输门、第四传输门、第九传输门、第十传输门，将中间电平分别接入第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，待各电容均充满后关闭所述各传输门；

分别打开第五传输门、第六传输门，以及第二传输门、第三传输门、第七传输门、第八传输门，将第一输入端电压和第二输入端电压分别接入至第一电容的负极及第三电容的负极；将选择电压模块分别接入第二电容的正极和第四电容的正极；

所述各电容充满电后先关闭第五传输门和第六传输门，然后分别关闭所述第二传输门、第三传输门、第八传输门、第七传输门；

延时并开启所述第一传输门、第四传输门、第九传输门、第十传输门，将储存在所述各电容的电压传输至第一输出端、第二输出端。

本方案所述的传输门也可以用同功能的开关、MOS管等等替换，其均在该方案的保护范围内。

作为该技术方案的改进，所述采样电压的放大倍数

其中C1、C2、C3、C4分别为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的值。

进一步地，所述选择电压模块包括若干传输门，所述各传输门的输入端分别与不同电压连接，用于进行电压选择。

本方案利用了电容的电荷存储特性，利用电容的比例来达到对采样电压的放大或缩小。在该实现方式中，最关键的条件是对于整个电路的时序控制。其中输入端Vin1和Vin2是要采集的模拟信号，Vcom是中间电平，一般设置为1/2的电源电压，选择电压模块的Voption作为减小一个固定值的选项。

首先打开传输门I1、I4、I9、I10，将中间电平接入电容，作为采样的基础电平，电荷充满后关闭；打开I5、I6，将Vcom电压送入电容；然后打开I2、I3、I8、I11，将Vin1和Vin2电压采入到C1和C3的负极，将需要减去的固定值接入C2、C4正极；足够的充电时间后先关闭I5和I6，再关闭I2、I3、I8、I11，延时后开启I1、I4、I9、I10，将储存在电容中的电压传递到Vout1和Vout2中去。只要调节好电容C1/C2和C3/C4的比例就可以控制放大采样电压的倍数，例如：

即可以将采入的电压放大两倍，放大的倍数就是电容的比值。而Voption中可以选择需要减去采样后经过放大2倍处理后的电压值。这样就完成了将采样到的电压放大的过程，下面则可以进行正常的ADC转换，且得到的转换值更加精确。

以10位ADC为例，当基准VREF为2V，最小Lsb为1.95mV，也就是ADC能够分辨的最小电压值为1.95mV。如果可以将采样到的最小分辨电压放大两倍，就只需要分辨3.9mV，大大降低了后面比较器的设计难度。此时若有需要转化的模拟量Vin，范围从0到1.5V，则选择将采集到的变化量放大2倍并减小1V，这是因为若采样到的vin电压为1.5V，那么放大2倍后为3V，超出最大转换电压VREF，需要减去1V，这样就可以正常转换了。

作为第二实施例，参照图3、图6所示，将vin2接地，vin1接采样到的vin电压，假设采样到的vin电压为Vx，Vcom为任一电源电压范围内的中间电压值，只作为一个运放输出的一个中间电位，可以使采样到的电压在这一Vcom电压上下变化，其电压差值和采样到的Vin是一样的，Vy(两输入端电压差值)和Vy1(两输出电压的差值)的比例为电容C1和C2比例。

首先将Vcom电压采集到电容负极上，开启传输门I1、I4、I9、I10，将Vcom接入电容C1和C3，此时C1和C3电容负极电压为Vcom，电荷充满后关闭I1、I4、I9、I10；打开I5、I6将Vcom电压送入电容C2和C4，此时C2和C4电容负极电压为Vcom，并作为Vout1和Vout2的基础电平，并在下个翻转周期之前一直导通。

其次为采集Vin电压，并将其储存在电容中，打开I2、I3、I8、I11，将Vin1和Vin2电压采入到C1和C3的负极，当超出量程范围时，将需要减去的固定值接入C2、C4正极，完成电容对Vin1和Vin2的采样电压的电荷积累。

最后为将电容中储存的电容释放出来，采样结束后先关闭I5和I6，将连接在C2和C4电容负极的电压Vcom去掉；再关闭I2、I3、I8、I11，将采样通道关闭，并关闭减去的固定电压值的通道；延时后开启I1、I4、I9、I10，将储存在电容中的电电荷传递到Vout1和Vout2中去，将采样到的电荷反应到Vout1和Vout2中，参照图7。

其中延时操作，是为了用于电容储存电荷，方便其储存满电荷。

本方案主要利用了电容公式，Q＝C*U，只要调节好电容C1/C2和C3/C4的比例就可以控制住放大采样电压的倍数，例

即可

以将采入的电压放大两倍，因为采集到的Q的总量是不变的，电容变大了2倍，由电容公式，得：

Q_C1＝2*C2*V_IN

Q_C2＝C2*V_OUT

Q_C1＝Q_C2

得到V_OUT＝2*V_IN，这就实现了对Vin电压放大两倍的作用。

当需要减小固定值时，将Voption中通过选择其中任意条通道，如图4Voption原理图中所示，选中其中任意需要的电压值，此时电容C2中存储的电荷由于正极板接入了特定电压，使C2中电荷有了泄放的通路，其存储电荷Q_C2的电量就会减少，而根据电容公式Q＝C*U，电荷减少而电容不变，那么电容上电压必然减少，也就实现了对电压V_OUT的减法。

本发明的设计原理是：将ADC采样到的电压进行放大或者电平加减处理，这样在初级就可以得到更大的采用值，为后面的电压转换做准备，这样可以有效提高转换精度，也同时满足了转换电压范围的需求，所使用的电路设计也并不复杂。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种提高ADC转换精度的装置，其特征在于，包括采样电压放大模块；所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路；

所述采样电压放大模块包括一个运算放大器、选择电压模块和第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及第一输入端、第二输入端；

所述采样电压放大模块还包括第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第七传输门、第八传输门、第九传输门及第十传输门；

所述运算放大器的正极输入端与第一电容的正极连接，所述第一电容的负极分别与第一传输门的第四管脚及第二传输门的第四管脚连接；

第五传输门的第三管脚与所述运算放大器的正极输入端连接，同时与所述第一电容的正极连接；

所述运算放大器还包括第一输出端和第二输出端；

所述运算放大器的正极输入端还与第二电容的负极连接；所述第二电容的正极分别与第八传输门的第三管脚以及第九传输门的第四管脚连接；所述第九传输门的第三管脚与所述运算放大器的第一输出端连接；

所述运算放大器的负极输入端与第三电容的正极连接；所述第三电容的负极分别与第四传输门的第四管脚及第三传输门的第四管脚连接；第六传输门的第四管脚与所述运算放大器的负极输入端连接，同时与所述第三电容的负极连接；

所述运算放大器的负极输入端还与第四电容的负极连接；所述第四电容的正极还分别与第十传输门的第三管脚以及第七传输门的第四管脚连接；所述第十传输门的第四管脚与第二输出端连接；

其中，所述第一传输门的第三管脚及第四传输门的第三管脚分别与中间电平连接；

所述第二传输门的第三管脚及第三传输门的第三管脚分别与第一输入端、第二输入端连接；

所述第五传输门的第四管脚与所述第六传输门的第三管脚均分别与中间电平连接；

所述第八传输门的第四管脚和所述第七传输门的第三管脚分别与选择电压模块连接；其中，所述选择电压模块包括若干传输门，其中各传输门的输入端分别接不同电压;将中间电平分别接入第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；将选择电压模块分别接入第二电容的正极和第四电容的正极。

2.一种提高ADC转换精度的方法，用于权利要求1所述的提高ADC转换精度的装置，其特征在于：设置采样电压放大模块，所述采样电压放大模块用于将采样电压进行比例放大，并将所述放大后的采样电压输出至ADC转换电路。

3.根据权利要求2所述的提高ADC转换精度的方法，其特征在于：分别打开第一传输门、第四传输门、第九传输门、第十传输门，待各电容均充满后关闭所述各传输门；

分别打开第五传输门、第六传输门，以及第二传输门、第三传输门、第七传输门、第八传输门，将第一输入端电压和第二输入端电压分别接入至第一电容的负极及第三电容的负极；

所述各电容充满电后先关闭第五传输门和第六传输门，然后分别关闭所述第二传输门、第三传输门、第七传输门、第八传输门；

延时并开启所述第一传输门、第四传输门、第九传输门、第十传输门，将储存在所述各电容的电压传输至第一输出端、第二输出端。

4.根据权利要求3所述的提高ADC转换精度的方法，其特征在于：所述采样电压的放大倍数r=

，其中/>

、/>

、/>

、/>

分别为第一电容、第二电容、第三电容和第四电容的值。

5.根据权利要求3所述的提高ADC转换精度的方法，其特征在于：所述选择电压模块包括若干传输门，所述各传输门的输入端分别与不同电压连接，用于进行电压选择。

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