CN113422608A - 电容数字转换电路 - Google Patents

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CN113422608A CN202110571568.9A CN202110571568A CN113422608A CN 113422608 A CN113422608 A CN 113422608A CN 202110571568 A CN202110571568 A CN 202110571568A CN 113422608 A CN113422608 A CN 113422608A
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李和倚
黄如
张昊
包远鑫
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Abstract

本申请公开了一种电容数字转换电路、电容数字转换方法及电子芯片。该电容数字转换电路包括第一模块、比较器和动态范围自适应滑动模块；第一模块包括依次连接的逐次逼近单元、第一加法器、第一数模转换器、第二加法器、第三加法器和积分单元，还包括与第三加法器相连接的第二数模转换器；比较器、动态范围自适应滑动模块和第一加法器依次连接；比较器与第二数模转换器相连接。本申请的电容数字转换电路，能够避免寄生、干扰等对SAR量化结果造成的误差对DSM细量化产生的不利影响，从而很好地避免了寄生、干扰带来的不利影响，也使得该电容数字转换电路可以工作在更加恶劣的环境中，显著提升了该电路的鲁棒性、扩大了该电路的应用范围。

Description

电容数字转换电路
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电容数字转换电路。
背景技术
随着物联网芯片技术的发展，越来越多的传感器芯片被部署在物联网节点端，更广泛的部署需要考虑成本和功耗问题，一方面在部署时希望芯片成本足够低，另一方面，在后期维护时希望一次供电，“永久使用”，中途不需要更换电池，还希望传感器芯片在恶劣的环境中仍然能正常工作。而电容传感芯片，作为一种低成本、高能效的传感接口电路，在物联网传感端拥有广泛的应用前景。基于电容传感芯片，可以设计湿度传感、压力传感、加速度传感、位移传感、触摸传感、电子皮肤等等。基于SAR的电容传感，具有很高的能效，但是分辨率较低，限制了在传感端的应用；基于DSM的电容传感，具有很高的精度，但是积分器功耗太高，能效有损失，此外受限于放大器的输出摆幅，输入动态范围也相对较小；基于Zoom的电容传感，能比较好地兼顾精度和动态范围，但是为了前后级能协调工作，极间需要留有冗余，但是过大的冗余会带来精度的损失，造成能效下降，过小的冗余又会使芯片的鲁棒性下降，因此亟待研发一种既能保证能效和精度不损失，又能保证高鲁棒性的技术方案。
发明内容
本申请的目的是提供一种电容数字转换电路。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种电容数字转换电路，包括第一模块、比较器和动态范围自适应滑动模块；
所述第一模块包括依次连接的逐次逼近单元、第一加法器、第一数模转换器、第二加法器、第三加法器和积分单元，还包括与所述第三加法器相连接的第二数模转换器；
所述比较器、所述动态范围自适应滑动模块和所述第一加法器依次连接；
所述比较器与所述第二数模转换器相连接。
进一步地，所述动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元。
进一步地，所述动态范围自适应滑动模块还包括计数器，所述计数器与所述比特流采样单元相连接。
进一步地，所述第二数模转换单元为参考电容。
进一步地，所述电容数字转换电路还包括与所述第一模块结构完全相同的第二模块；所述第二模块的积分单元、所述比较器以及所述第二模块的第二数模转换器依次连接；所述动态范围自适应滑动模块与所述第二模块的第一加法器相连接；所述第一模块和所述第二模块共同构成伪差分结构。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种电容数字转换方法，通过上述任一项的电容数字转换电路实现；所述方法包括：
所述逐次逼近单元通过逐次逼近算法对待测电容传感信号进行粗量化，得到粗量化结果；
所述第一加法器计算所述粗量化结果与补偿值的和，所述补偿值来自所述动态范围自适应滑动模块；
所述第一数模转换器将所述和转换为模拟信号；
所述第二加法器计算所述待测电容传感信号与所述模拟信号的差值；
所述第三加法器计算所述差值与来自第二数模转换器的模拟信号的差值；
所述积分单元对来自所述第三加法器的差值进行积分，得到积分值；
所述比较器对所述积分值与参考值进行差分运算，将运算结果转换为比特流；
所述动态范围自适应滑动模块根据所述比特流判断是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若要进行补偿则计算出补偿值，并将所述补偿值输入第一加法器；
所述第二数模转换器将来自所述比较器的比特流转换为模拟信号，将转换出的模拟信号输入所述第三加法器。
进一步地，所述动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元；
所述动态范围自适应滑动模块根据所述比特流判断是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若要进行补偿则计算出补偿值，包括：
所述比特流采样单元对所述比较器输出的比特流进行采样，得到采样结果；
所述电平密度计算单元对所述采样结果进行高电平密度计算或低电平密度计算，得到电平密度计算结果；
所述范围滑动单元根据所述电平密度计算结果确定是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若需要进行补偿则计算出补偿值。
进一步地，所述电容数字转换电路还包括与所述第一模块结构完全相同的第二模块；所述第二模块的积分单元、所述比较器以及所述第二模块的第二数模转换器依次连接；所述动态范围自适应滑动模块与所述第二模块的第一加法器相连接；
所述第一模块的逐次逼近单元粗量化处理的是正向的待测电容传感信号；
所述第二模块的逐次逼近单元粗量化处理的是负向的待测电容传感信号；
所述参考值为所述第二模块的积分单元的积分值。
进一步地，所述比较器对所述积分值与参考值进行差分运算，将运算结果转换为比特流，包括：
所述比较器对来自所述第一模块的积分值与来自所述第二模块的积分值进行差分运算，将运算结果转换为第一比特流；所述第一比特流用于输入所述第一模块；
对所述第一比特流进行取反运算得到第二比特流；所述第二比特流用于输入所述第二模块。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种电子芯片，包括上述任一项的电容数字转换电路。
本申请实施例的其中一个方面提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请实施例提供的电容数字转换电路，通过动态范围自适应滑动模块处理比较器输出的比特流，判断是否需要对粗量化结果进行补偿，并能够在需要补偿时计算出补偿值，使得补偿后的量化输出工作在下一级DSM的输入范围内，从而避免了寄生、干扰等对SAR量化结果造成的误差对DSM细量化产生的不利影响，从而很好地避免了寄生、干扰带来的不利影响，也使得该电容数字转换电路可以工作在更加恶劣的环境中，显著提升了该电路的鲁棒性、扩大了该电路的应用范围。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者，部分特征和优点可以从说明书中推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请一种实施方式的电容数字转换电路的结构框图；
图2示出了图1所示实施方式中的动态范围自适应滑动模块的结构框图；
图3示出了本申请另一实施方式的电容数字转换电路的结构框图；
图4示出了图3所示电容数字转换电路的逻辑示意图；
图5示出了本申请一种实施方式的电容数字转换方法的流程图；
图6示出了图5中步骤S80的流程图；
图7示出了图5中步骤S70的流程图；
图8示出了本申请另一实施方式的电容数字转换电路的逻辑示意图；
图9示出了动态范围自适应滑动技术的过程示意图；
图10示出了动态范围自适应滑动技术的时序图；
图11示出了动态范围自适应滑动技术的SAR范围与DSM工作范围的示意图；
图12示出了动态范围自适应滑动技术的OTA输出电压与OTA直流增益的关系示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本申请做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，本申请的一个实施例提供了一种电容数字转换电路，包括第一模块、比较器和动态范围自适应滑动模块；第一模块包括依次连接的逐次逼近单元、第一加法器、第一数模转换器、第二加法器、第三加法器和积分单元，还包括与第三加法器相连接的第二数模转换器；比较器、动态范围自适应滑动模块和第一加法器依次连接；比较器与第二数模转换器相连接。第一模块构成单端结构。
如图2所示，动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元。
动态范围自适应滑动模块还包括计数器，计数器与比特流采样单元相连接。
第二数模转换单元可以为参考电容。
逐次逼近单元用于接收待测电容传感信号，通过逐次逼近算法对待测电容传感信号进行粗量化，得到粗量化结果。
第一加法器用于计算粗量化结果与补偿值的和，补偿值来自动态范围自适应滑动模块。
第一数模转换器用于将来自第一加法器的和转换为模拟信号。
第二加法器用于计算待测电容传感信号与来自第一数模转换器的模拟信号的差值。
第三加法器用于计算来自第二加法器的差值与来自第二数模转换器的模拟信号的差值。
积分单元用于对来自第三加法器的差值进行积分，得到积分值。
比较器用于对积分值与参考值进行差分运算，将运算结果转换为比特流，并输出比特流。
动态范围自适应滑动模块用于根据比较器输出的比特流判断是否需要对粗量化结果进行补偿，若要进行补偿则计算出补偿值，并将补偿值输入第一加法器。
第二数模转换器用于将来自比较器的比特流转换为模拟信号，将转换出的模拟信号输入第三加法器。
动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元；
比特流采样单元用于对所述比较器输出的比特流进行采样，得到采样结果；
电平密度计算单元用于对所述采样结果进行高电平密度计算或低电平密度计算，得到电平密度计算结果；
范围滑动单元用于根据电平密度计算结果确定是否需要对粗量化结果进行补偿，若需要进行补偿则计算出补偿值，并将所述补偿值输入所述第一加法器。
动态范围自适应滑动模块还包括计数器，所述计数器与所述比特流采样单元相连接，计算器用于计算比特流采样单元的采样次数。
如图3所示，在某些实施方式中，电容数字转换电路还包括与第一模块结构完全相同的第二模块；第二模块的积分单元、比较器以及第二模块的第二数模转换器依次连接；动态范围自适应滑动模块与第二模块的第一加法器相连接。第一模块的逐次逼近单元用于通过逐次逼近算法对正向的待测电容传感信号进行粗量化；第二模块的逐次逼近单元用于通过逐次逼近算法对负向的待测电容传感信号进行粗量化；所述参考值为第二模块的积分单元的积分值；比较器用于对来自第一模块的积分值与来自第二模块的积分值进行差分运算，将运算结果转换为第一比特流，对第一比特流进行取反运算得到第二比特流，将第一比特流输入第一模块的第二数模转换器，将第二比特流输入第二模块的数模转换器。第一模块和第二模块共同构成伪差分结构。如图4所示为该实施方式的一个示例逻辑图，CSP代表正向的待测电容传感信号，CSN代表负向的待测电容传感信号，bs代表比特流，bs’代表bs的反相比特流。
如图5所示，本申请的另一个实施例提供了一种电容数字转换方法，通过上述任一实施方式的电容数字转换电路实现；该电容数字转换方法包括：
S10、逐次逼近单元通过逐次逼近算法对待测电容传感信号进行粗量化，得到粗量化结果。
S20、第一加法器计算上述粗量化结果与补偿值的和。补偿值来自动态范围自适应滑动模块。
S30、第一数模转换器将上述的和转换为模拟信号。
S40、第二加法器计算待测电容传感信号与上述模拟信号的差值。
S50、第三加法器计算上述差值与来自第二数模转换器的模拟信号的差值。
S60、积分单元对来自第三加法器的差值进行积分，得到积分值。
S70、比较器对上述积分值与参考值进行差分运算，将运算结果转换为比特流。
S80、动态范围自适应滑动模块根据比特流判断是否需要对粗量化结果进行补偿，若要进行补偿则计算出补偿值，并将补偿值输入第一加法器。
S90、第二数模转换器将来自比较器的比特流转换为模拟信号，将转换出的模拟信号输入第三加法器。
在某些实施方式中，动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元；
如图6所示，步骤S80包括：
S801、比特流采样单元对所述比较器输出的比特流进行采样，得到采样结果；
S802、电平密度计算单元对所述采样结果进行高电平密度计算或低电平密度计算，得到电平密度计算结果；
S803、范围滑动单元根据所述电平密度计算结果确定是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若需要进行补偿则计算出补偿值，并将补偿值输入第一加法器。
在某些实施方式中，电容数字转换电路还包括与所述第一模块结构完全相同的第二模块；第二模块的积分单元、所述比较器以及所述第二模块的第二数模转换器依次连接；动态范围自适应滑动模块与所述第二模块的第一加法器相连接；
第一模块的逐次逼近单元粗量化处理的是正向的待测电容传感信号；第二模块的逐次逼近单元粗量化处理的是负向的待测电容传感信号；参考值为第二模块的积分单元的积分值。
如图7所示，步骤S70包括：
S701、比较器对来自所述第一模块的积分值与来自所述第二模块的积分值进行差分运算，将运算结果转换为第一比特流。第一比特流用于输入所述第一模块；
S702、对第一比特流进行取反运算得到第二比特流。第二比特流用于输入第二模块。
本申请的另一个实施例提供了一种电子芯片，包括上述任一实施方式的电容数字转换电路。例如，电子芯片可以为存算一体芯片、通信芯片或传感芯片等芯片。
本申请的另一个实施例提供了一种电容数字转换器，该电容数字转换器(Capacitance-to-Digital Converter,CDC)是基于动态范围自适应滑动技术(AdaptiveRange-Shift,ARS)设计的，相比传统结构具有更强的鲁棒性。
该电容数字转换器采用缩放(Zoom)型架构，分为两级或多级对输入电容进行量化，其中在本实施例中电容数字转换器的第一级的部分采用了逐次逼近算法(SuccessiveApproximation Register,SAR)，对输入的待测电容信号进行粗量化，可以有效拓展输入动态范围；第二级的部分采用了ΔΣ调制器(DSM)对第一级的粗量化结果进行细量化，从而提升待测电容传感信号的计算精度。ΔΣ调制器也称为ΣΔ调制器。ΔΣ调制器简称DSM，ΣΔ调制器简称SDM。
通常为了Zoom结构前后级之前能够衔接匹配上，极间需要留有一些冗余，用来抵抗工艺波动、寄生干扰等。在一些寄生和干扰特别严重的场景下，例如在片外测试电容传感器时，可能存在极大的寄生，这种情况下，第一级的粗量化输出可能会超出第二级的输入动态范围，从而导致第二级不工作或者工作异常，导致整个电路性能受到严重影响。
本实施例采用动态范围自适应滑动技术，通过对DSM输出位流(bitstream，缩写bs，也可以称为比特流)的高电平/低电平密度进行统计，可以推断出SAR的粗量化输出结果是否仍然在DSM的输入动态范围内，或者是否在DSM的最佳输入范围[a,b]内，若没有在设定的工作区间[a,b]内，那么就会对第一级的SAR的粗量化输出码进行补偿，每次补偿加1或者减1，然后DSM再次进行细量化；若仍然没有在预设的工作区间[a,b]内，则ARS模块将继续进行补偿，直到DSM工作在预定的工作区间[a,b]内，通过这个技术方案，无论寄生或干扰带来多大的误差，ARS模块总是能通过对第一级输出码补偿的方式，保证第二级DSM能正常工作，从而提升了整个电路的鲁棒性。此外因为整个电路的鲁棒性强，所以第一级也可以采用更简单高能效的架构和电路方案，这有助于提升系统能效。
例如，如图8所示电容数字转换器，包括SAR单元、加法器1、加法器2、加法器3、数模转换器DAC1、数模转换器DAC2、积分器4、比较器5和ARS模块。输入的待测电容传感信号为CS，待测电容传感信号CS通过第一级的部分进行粗量化，第一级的部分包含依次连接的SAR单元、加法器1和数模转换器DAC1，第二级的DSM包括依次连接的积分器4、比较器5和数模转换器DAC2，第一级的粗量化后的结果输入第二级的DSM中进行进一步细量化，从而可以提高转换的精度。第一级的DAC1与加法器2相连接，加法器2与加法器3相连接，加法器3与第二级的积分器4相连接，DAC2与加法器3相连接，ARS模块分别与比较器5和加法器1相连接。
积分器4的阶数根据需求确定，可以为1阶、2阶、3阶、4阶甚至更高阶。该比较器5可以是单比特(bit)比较器也可以是多比特(bit)比较器，可以是静态比较器或动态比较器。由于本实施方式中第二级的DSM的比较器5为一个单比特(bit)比较器，因此DAC2可以采用一个固定的参考电容Cref作为数模转换器。通过第二级的DSM中比较器5的输出数字位流(bs)来实现动态范围自适应滑动技术(ARS)。
具体而言，通过对DSM输出位流(bitstream，bs)的高电平/低电平密度进行统计，可以推断出SAR的量化输出结果是否仍然位于DSM的输入动态范围内，或者是否位于DSM的最佳输入范围[a,b]内。若没有位于设定的工作区间[a,b]内，那么就对第一级SAR的量化输出数字码进行补偿，每次补偿加1或者减1，然后DSM再次进行量化，若仍然没有位于预设的工作区间[a,b]内，则ARS模块将继续进行补偿，直到DSM工作在预定的工作区间[a,b]内为止。通过该技术方案，无论寄生或干扰带来多大的误差，ARS模块总是能通过对第一级输出码进行补偿的方式，保证第二级DSM正常工作，从而提升了整个电路的鲁棒性，此外因为该电路鲁棒性强，所以第一级SAR也可以采用更简单高能效的架构和电路方案，这有助于提升电路能效。
在某些实施方式中，该电容数字转换器采用Zoom架构，第一级采用逐次逼近算法(Successive Approximation Register,SAR)，对输入的待测电容传感信号CS进行粗量化，可以有效拓展输入动态范围；第二级采用ΔΣ调制器(DSM)对第一级的量化结果进行细量化，从而提升待测电容传感信号的计算精度。
该Zoom架构可以但不限于只有2级，也可以是更多级的结构，在不同级的极间通常需要留有冗余保证前后级能协调工作，但是留有过大的冗余会造成不必要的精度损失。但在某些寄生、干扰大的场景下，第一级的输出量化结果的误差很可能导致第二级无法工作，或者工作性能很差，因此提出了一种可以纠正第一级输出误差的方法，被称为动态范围自适应滑动技术(Adaptive Range-Shift,ARS)，该技术核心在于通过一种指标，例如bs的高电平/低电平密度，来判断第二级DSM是否工作异常，若工作出现异常，则第一级的输出将会自动补偿，补偿的方向是使得DSM工作更接近正常的方向，通过多次补偿和再判断，第二级DSM的工作状态会逐渐恢复到正常的/最佳的工作状态。
在某些实施方式中，ΔΣ调制器(DSM)可以是1阶、2阶、3阶、4阶等更高阶。
在某些实施方式中，ΔΣ调制器中的DAC2可以采用参考电容Cref，这个参考电容可以是叉指电容、平板电容等。
在某些实施方式中，动态范围自适应滑动技术，通过对DSM输出位流bs的分析，确定DSM的工作状态是否正常，若工作状态不正常或者没有达到预设的最佳工作状态，会对第一级的输出进行自动补偿，保证第一级的量化输出结果工作在DSM的最佳输入范围内。
在某些实施方式中，动态范围自适应滑动技术，通过对DSM输出的bs进行判断，来决定是否需要对上级的量化输出结果进行补偿以及应该补偿多少，可以但不限于对bs的高电平密度进行判断，也可以对位流bs的低电平密度进行判断。
在某些实施方式中，所述的动态范围自适应滑动技术，会对位流bs的“高/低电平密度”预先设定一个门限[a,b]，这个门限的大小通常与第一级量化的LSB和DSM的参考电容大小相关，目的是使得两级之间留有的冗余尽可能小，但是由于存在ARS技术，在小冗余的情况下，也能保证对寄生、干扰有较强的鲁棒性。
在某些实施方式中，动态范围自适应滑动技术，内部存在逻辑能够保证在N个时钟周期内找到上一级量化输出的最佳补偿码，因为若在一定周期内，无法在预先设定一个门限[a,b]内找到最佳补偿码，该门限会自动拓展增大到[c,d]，以此类推，直到能在一个合适的门限区间内找到最佳补偿码。
在某些实施方式中，动态范围自适应滑动技术，通常只需要在芯片初始化的时候工作一次，之后ARS模块都处于随时待机等待唤醒的状态，ARS也可以在每次CDC对输入进行量化的时候工作，不一定只限于在初始化时工作。
如图9所示，本实施例中的动态范围自适应滑动技术的具体流程示意图，ARS包括依次连接的计数器、比特流采样模块、电平密度计算模块和范围滑动模块。通过比特流采样模块对DSM中比较器5的输出位流bs进行采样，采样的个数用计数器(Counter)决定，对位流bs采完样后，利用电平密度计算单元对位流bs的高电平/低电平密度进行计算，得到电平密度值。利用范围滑动单元计算得到的密度值和提前预设的密度值进行比较，如果密度值连续多次落入预设的区间内，则最佳补偿码就找到了，如果在设定的周期内一直无法找到最佳补偿码，预设的密度区间会自动扩大，数字算法会继续搜寻补偿码，以此类推，直到搜寻到最佳补偿码为止。
如图10所示，本实施例中的动态范围自适应滑动技术的时序示意图。通常情况下，ARS在整个电容数字转换器初始化时工作一次，先做一次SAR找到粗量化数字码，然后再做一次DSM，同时通过ARS采集DSM的输出位流bs，并统计位流bs的密度，根据与预设的位流bs密度区间对比，决定下一次做SAR时需要补偿的数字码，在下一次做完SAR之后，电路会自动将补偿码加到SAR的输出量化数字码上，从而实现补偿，以此类推，多次循环，直到找到最佳的补偿码为止，ARS完成指示信号“Calib_Finish”信号将输出高电平(低电平也可以，只要能起到指示作用即可，高低电平只是人为定义而已)，指示补偿码的搜寻已经结束，可以进行正常工作模式，即一次SAR，一次DSM，如此往复。
如图11和图12所示，本实施例中的动态范围自适应滑动技术的原理，第一级SAR的输出量化结果，对应了5个SAR的Range(范围)①、②、③、④、⑤，其中Range②对应DSM的最佳输入范围，如果SAR的量化输出落在这个位置，对后级DSM来说，放大器的增益和能效是最高的，因此SAR最终的量化结果都能落在这个区间内是最优的结果。图11中的＊代表DSM的工作范围。Range①、Range②、Range③都是DSM可以工作的区间，只不过DSM工作在Range①、Range③时，放大器增益和能效会很低，因此这个区间DSM虽然能工作，但是会严重影响电容数字转换器的系统性能。如果SAR的输出落入Range④和Range⑤，就直接超出了DSM的输入工作范围，会造成DSM无法工作。综上所述，需要一种动态范围自适应滑动技术对落入Range①、Range③、Range④、Range⑤的情况进行补偿校正，使得最终SAR的等效量化输出结果能落入Range②，保证后级DSM工作在最佳的状态。而之所以SAR的输出量化结果可能落入Range①、Range③、Range④、Range⑤，就是因为存在各种寄生、干扰、offset(补偿)等等，而动态范围自适应滑动技术可以通过数字算法补偿的方式，将这些不利影响补偿掉，从而保证系统性能和鲁棒性。跨导放大器(operational transconductance amplifier,OTA)是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器。
本实施方式实现高能效、鲁棒性电容传感的核心原理为：通过对DSM输出位流(bitstream，bs)的高电平/低电平密度进行统计，可以推断出SAR的量化输出结果是否仍然在DSM的输入动态范围，或者是否在DSM的最佳输入范围[a,b]，若没有在设定的工作区间[a,b]，那么就会对第一级SAR的量化输出数字码进行补偿，每次补偿加1或者减1，然后DSM再次进行量化，若仍然没有在预设的工作区间[a,b]，则ARS模块将继续进行补偿，直到DSM工作在预定的工作区间[a,b]，通过这个技术，无论寄生或干扰带来多大的误差，ARS模块总是能通过对第一级输出码补偿的方式，保证第二级DSM能正常工作。从而提升了整个系统的鲁棒性，此外因为系统鲁棒性强，因此第一级SAR也可以采用更简单高能效的架构和电路方案，这有助于提升系统能效。该动态范围自适应滑动技术应用于电容数字转换器中，可显著提升芯片鲁棒性和能效，使其在未来物联网、人工智能、存算一体芯片、通信芯片、生物传感芯片、传感芯片等领域发挥更大的作用。
本申请实施例采用的动态范围自适应滑动技术，可用于模数转化器，电容数字转化器等领域，可显著提升芯片的鲁棒性和能效水平，极其适用于需要高抗干扰能力、超低功耗的应用场景。可加速推进物联网芯片、人工智能芯片、存算一体芯片、通信芯片、生物传感芯片、传感芯片等领域的发展。
需要说明的是：
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上所述实施例仅表达了本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容数字转换电路，其特征在于，包括第一模块、比较器和动态范围自适应滑动模块；
所述第一模块包括依次连接的逐次逼近单元、第一加法器、第一数模转换器、第二加法器、第三加法器和积分单元，还包括与所述第三加法器相连接的第二数模转换器；
所述比较器、所述动态范围自适应滑动模块和所述第一加法器依次连接；
所述比较器与所述第二数模转换器相连接。
2.根据权利要求1所述的电容数字转换电路，其特征在于，所述动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元。
3.根据权利要求1所述的电容数字转换电路，其特征在于，所述动态范围自适应滑动模块还包括计数器，所述计数器与所述比特流采样单元相连接。
4.根据权利要求1所述的电容数字转换电路，其特征在于，所述第二数模转换单元为参考电容。
5.根据权利要求1所述的电容数字转换电路，其特征在于，所述电容数字转换电路还包括与所述第一模块结构完全相同的第二模块；所述第二模块的积分单元、所述比较器以及所述第二模块的第二数模转换器依次连接；所述动态范围自适应滑动模块与所述第二模块的第一加法器相连接；所述第一模块和所述第二模块共同构成伪差分结构。
6.一种电容数字转换方法，其特征在于，通过权利要求1-4中任一项所述的电容数字转换电路实现；所述方法包括：
所述逐次逼近单元通过逐次逼近算法对待测电容传感信号进行粗量化，得到粗量化结果；
所述第一加法器计算所述粗量化结果与补偿值的和，所述补偿值来自所述动态范围自适应滑动模块；
所述第一数模转换器将所述和转换为模拟信号；
所述第二加法器计算所述待测电容传感信号与所述模拟信号的差值；
所述第三加法器计算所述差值与来自第二数模转换器的模拟信号的差值；
所述积分单元对来自所述第三加法器的差值进行积分，得到积分值；
所述比较器对所述积分值与参考值进行差分运算，将运算结果转换为比特流；
所述动态范围自适应滑动模块根据所述比特流判断是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若要进行补偿则计算出补偿值，并将所述补偿值输入第一加法器；
所述第二数模转换器将来自所述比较器的比特流转换为模拟信号，将转换出的模拟信号输入所述第三加法器。
7.根据权利要求6所述的电容数字转换方法，其特征在于，所述动态范围自适应滑动模块包括依次连接的比特流采样单元、电平密度计算单元和范围滑动单元；
所述动态范围自适应滑动模块根据所述比特流判断是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若要进行补偿则计算出补偿值，包括：
所述比特流采样单元对所述比较器输出的比特流进行采样，得到采样结果；
所述电平密度计算单元对所述采样结果进行高电平密度计算或低电平密度计算，得到电平密度计算结果；
所述范围滑动单元根据所述电平密度计算结果确定是否需要对所述粗量化结果进行补偿，若需要进行补偿则计算出补偿值。
8.根据权利要求6所述的电容数字转换方法，其特征在于，所述电容数字转换电路还包括与所述第一模块结构完全相同的第二模块；所述第二模块的积分单元、所述比较器以及所述第二模块的第二数模转换器依次连接；所述动态范围自适应滑动模块与所述第二模块的第一加法器相连接；
所述第一模块的逐次逼近单元粗量化处理的是正向的待测电容传感信号；
所述第二模块的逐次逼近单元粗量化处理的是负向的待测电容传感信号；
所述参考值为所述第二模块的积分单元的积分值。
9.根据权利要求8所述的电容数字转换方法，其特征在于，所述比较器对所述积分值与参考值进行差分运算，将运算结果转换为比特流，包括：
所述比较器对来自所述第一模块的积分值与来自所述第二模块的积分值进行差分运算，将运算结果转换为第一比特流；所述第一比特流用于输入所述第一模块；
对所述第一比特流进行取反运算得到第二比特流；所述第二比特流用于输入所述第二模块。
10.一种电子芯片，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的电容数字转换电路。
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