CN109217872A - 模数转换器及模数转换方法 - Google Patents

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Abstract

一种模数转换器，其特征在于，包括：M位的增量调制型模数转换器，用于对输入的模拟信号进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；和N‑M位的逐次逼近型模数转换器，用于对输入的模拟信号进行低N‑M位量化，以转换为低N‑M位量化码值，并将所述M位高位数字码值与N‑M位低位数字码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。本发明将∑ΔADC与SAR ADC相结合，在实现高精度的基础上，同时具有高速、小面积的优点。

Description

模数转换器及模数转换方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种模数转换器及模数转换方法。
背景技术
随着半导体制造技术的迅速发展，模数转换器(ADC)已广泛应用于各个领域，以将模拟信号转换为数字信号。
现有的ADC有两种常见的实现方式：增量调制型ADC(∑Δ ADC)和逐次逼近型ADC(SAR ADC)。∑Δ ADC采用过采样及噪声整形技术，可轻易实现12bit以上的精度；但由于其精度直接决定于其过采样率，在12bit以上的高精度情况下其转换速率又受到很大限制。因此，∑Δ ADC难以应用在有高速需求的场合。SAR ADC的转换周期很短，N位的SAR ADC只需要N个时钟周期就能完成一次转换，但其缺点是ADC内包含一个庞大的DAC(数模转换器)电路，N位DAC电路需要2N个电容，随着转换位数的增加，电容个数呈指数增长，导致芯片面积非常大。随着工艺尺寸降低，特别在图像传感器这种对面积要求很苛刻的情况中，由SARADC难以实现很高的精度。
发明内容
针对上述问题，为了克服∑Δ ADC速度不高而高速SAR ADC的面积太大的缺点，本发明一方面提供了一种模数转换器，包括：
M位的增量调制型模数转换器，用于对输入的模拟信号进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；和
N-M位的逐次逼近型模数转换器，用于对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以转换为低N-M位量化码值，并将所述M位高位数字码值与N-M位低位数字码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。
在一些实施例中，所述逐次逼近型模数转换器包括比较器、N-M位的数模转换器和逻辑控制单元，
所述数模转换器的输出电压信号输入到所述比较器的正输入端，参考电压信号输入到所述比较器的负输入端，所述比较器的输出信号作为所述逻辑控制单元的输入信号；
所述逻辑控制单元的输入信号还包括所述高M位量化码值，所述逻辑控制单元输出所述低N-M位量化码值；
所述数模转换器由所述逻辑控制单元控制。
在一些实施例中，M＝N/2。
本发明另一方面提供了一种模数转换方法，包括：
S1、提供M位的增量调制型模数转换器，对输入的模拟信号进行高M位量化，以将模拟信号转换为高M位量化码值；
S2、提供N-M位的逐次逼近型模数转换器，对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以将模拟信号转换为低N-M位量化码值；
S3、将所述M位高位量化码值与N-M位低位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。
在一些实施例中，步骤S2还包括：将所述高M位量化码值输入到所述逐次逼近型模数转换器的逻辑控制单元中。
在一些实施例中，M＝N/2。
基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果：
本发明提供的模数转换器和模数转换方法将∑Δ ADC与SAR ADC相结合，与∑ΔADC相比，由于采用了SAR ADC进行低位数据量化，则∑Δ ADC只负责高位数据量化，量化速度大大加快；与SAR ADC相比，由于采用了∑Δ ADC进行高位数据量化，因此SAR ADC需量化的位数减少，从而大大减少了芯片面积。因此本发明提供的方案在实现高精度的基础上，同时具有高速、小面积的优点。
附图说明
图1为本发明的实施例中的模数转换器的结构示意图；
图2为本发明的实施例中的SAR ADC的具体结构示意图。
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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
图1为本发明的一个实施例的模数转换器的结构示意图，如图1所示，包括M位的∑Δ ADC和N-M位的SAR ADC(M、N均为大于等于1的整数且N＞M)。∑Δ ADC用于对输入的模拟信号Vin进行高M位量化，以转换为M位高位数字码值；SAR ADC用于对输入的模拟信号Vin进行低N-M位量化，以转换为N-M位低位数字码值，并将M位高位数字码值与N-M位低位数字码值合并为N位数字信号后输出。
本发明的实施例将∑Δ ADC与SAR ADC相结合，采用∑Δ ADC进行高位数据量化，采用SAR ADC进行低位数据量化。该方案克服了∑Δ ADC速度不高而高速SAR ADC的面积太大的缺点，可在实现高精度的基础上，同时具有高速、小面积的优点。
根据一些实施例，∑Δ ADC对模拟信号Vin的量化为粗量化，SAR ADC对模拟信号Vin的量化为细量化。
根据一些实施例，SAR ADC包括比较器、N-M位的数模转换器(DAC)和逻辑控制单元，DAC的输出电压信号VDAC输入到比较器的正输入端，参考电压信号Vrefn1输入到比较器的负输入端，比较器的输出信号VCOM作为逻辑控制单元的输入信号；逻辑控制单元的输入信号还包括高M位量化码值，逻辑控制单元输出低N-M位量化码值；DAC由逻辑控制单元控制。
如图1所示，本发明还提供了一种模数转换方法，包括：
S1、提供M位的∑Δ ADC，对输入的模拟信号Vin进行高M位量化，以将其转换为高M位量化码值；
S2、提供N-M位的SAR ADC，对输入的模拟信号Vin进行低N-M位量化，以将其转换为低N-M位量化码值；
S3、将M位高位量化码值与N-M位低位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。
根据一些实施例，步骤S2还包括：将高M位量化码值输入到SAR ADC的逻辑控制单元中。
下面结合附图，介绍本发明在M＝N/2的情况下的具体实施例。
图1中，M＝N/2；Vin为需要量化的模拟信号；VCOM为SAR ADC中比较器的输出；VDAC为SAR ADC中DAC的输出；Vrefp1、Vrefn1分别为量化的高低参考电压，即Vin的输入范围；Vrefp2、Vrefn2为另两路参考电压，其表达式如下：
进一步参照图2，为SAR ADC的具体结构示意图，并已将M替换为N/2。本发明实施例的模数转换器的工作原理如下：
第一阶段，由N/2位的∑Δ ADC进行高N/2位量化，量化输出高N/2位量化码值。
第二阶段，由N/2位的SAR ADC进行低N/2位量化：此结构的整个工作过程分为3个阶段：采样、保持和电荷再分配。采样阶段，C0～CN/2的下极板接Vin，同时开关S0闭合，使DAC的输出端接低电平Vrefn1；保持阶段，开关S0断开，同时C0～CN/2的下极板均接低电平Vrefn1；电荷再分配阶段，C0下极板始终接Vrefn1，C1～CN/2下极板电压由B1～BN/2和BN/2+1～BN共同决定，以C1下极板电压为例，如下表所示：
B<sub>N/2+1</sub> B<sub>1</sub> C<sub>1</sub>下极板电压
1 1 Vrefp2
1 0 Vrefp1
0 1 Vrefn2
0 0 Vrefn1
同理可得C2～CN/2下极板电压取值，该N/2位电容阵列DAC输出VDAC的表达式如下：
如此，经过N/2个时钟周期，SAR ADC可量化出低N/2位量化码值。
最后，将第一阶段高N/2位量化码值与第二阶段低N/2位量化码值合并即可得到需要的模数转化后的N位数字信号。
可见，本发明的实施例中的方案将∑Δ ADC与SAR ADC相结合，与传统的∑Δ ADC相比，由于采用了SAR ADC进行低位数据量化，则∑Δ ADC只负责高N/2位数据量化，量化速度大大加快；与SAR ADC相比，由于采用了∑Δ ADC进行高位数据量化，因此SARADC需量化的位数也减少为N/2位，从而大大减少了芯片面积。本发明实施例提供的方案在实现高精度的基础上，同时具有高速、小面积的优点。
以上给出了本发明在M＝N/2的情况下的具体实施例，应理解的是，当M和N的不满足M＝N/2时，只要满足M、N均为大于等于1的整数且N＞M，通过类似的设计，一样能实现本发明的效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模数转换器，其特征在于，包括：
M位的增量调制型模数转换器，用于对输入的模拟信号进行高M位量化，以转换为高M位量化码值；和
N-M位的逐次逼近型模数转换器，用于对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以转换为低N-M位量化码值，并将所述M位高位数字码值与N-M位低位数字码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。
2.如权利要求2所述的模数转换器，其特征在于，所述逐次逼近型模数转换器包括比较器、N-M位的数模转换器和逻辑控制单元，
所述数模转换器的输出电压信号输入到所述比较器的正输入端，参考电压信号输入到所述比较器的负输入端，所述比较器的输出信号作为所述逻辑控制单元的输入信号；
所述逻辑控制单元的输入信号还包括所述高M位量化码值，所述逻辑控制单元输出所述低N-M位量化码值；
所述数模转换器由所述逻辑控制单元控制。
3.如权利要求1或2所述的模数转换器，其特征在于，M＝N/2。
4.一种模数转换方法，其特征在于，包括：
S1、提供M位的增量调制型模数转换器，对输入的模拟信号进行高M位量化，以将模拟信号转换为高M位量化码值；
S2、提供N-M位的逐次逼近型模数转换器，对输入的模拟信号进行低N-M位量化，以将模拟信号转换为低N-M位量化码值；
S3、将所述M位高位量化码值与N-M位低位量化码值合并为N位数字信号后输出，M、N均为大于等于1的整数且N＞M。
5.如权利要求4所述的模数转换方法，其特征在于，步骤S2还包括：将所述高M位量化码值输入到所述逐次逼近型模数转换器的逻辑控制单元中。
6.如权利要求4或5所述的模数转换方法，其特征在于，M＝N/2。
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