CN115051711A - 模数转换电路、转换器、控制方法、集成电路和智能设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供模数转换电路、转换器、控制方法、集成电路和智能设备，该模数转换电路包括；权电容网络包括至少一个第一开关和多个第一电容；每个第一开关用于导通或断开部分第一电容与另一部分第一电容的连接；每个第一电容用于存储电荷，以使权电容网络的输出端根据每个第一电容中存储的电荷输出模拟电压；开关网络用于根据数字控制信号控制每个第一电容所存储电荷的极性，以控制权电容网络的输出端输出的模拟电压；比较器，与所述权电容网络的输出端连接。本申请实施例中提供的一个或多个技术方案的模数转换器可实现可变的分辨率和转换速率，且结构简单，无需耗费更多面积和功耗的技术效果。

Description

模数转换电路、转换器、控制方法、集成电路和智能设备

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及模数转换电路、转换器、控制方法、集成电路和智能设备。

背景技术

目前，常见的SARADC(Approximation Register Analog Digital Convertor，逐次逼近式模数转换器)通常内置电容式数模转换器(Digital to Analog Convertor，DAC)。电容式DAC的优点是：1.输出电压的精度只与各个电容器电容量的比例有关，而与它们的电容量无关；2.输出电压的稳压态不受开关内阻及参考电压源内阻的影响，因而降低了对开关电路及参考电压源的要求；3.稳态下电容网络不消耗功率。

使用电容式DAC的ADC的缺点是：要求输出较高精度时，需要DAC的位数较高，对应使用较多的电容，而较多的电容会导致ADC转换速率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了模数转换电路、转换器、控制方法、集成电路和智能设备，以解决ADC不能既具备较高精度，又兼顾转换速度的问题。

根据本申请的一方面，提供了一种模数转换电路，包括；权电容网络，权电容网络包括至少一个第一开关和多个第一电容；每个第一开关用于导通或断开部分第一电容与另一部分第一电容的连接；每个第一电容用于存储电荷，以使权电容网络的输出端根据每个第一电容中存储的电荷输出模拟电压；开关网络，开关网络用于根据数字控制信号控制每个第一电容所存储的电荷的极性，以控制权电容网络的输出端输出的模拟电压；以及比较器，与所述权电容网络的输出端连接。

在一些实施方式中，第一开关的第一端与第一集合中所有第一电容的第一极板相连，第一开关的第二端与第二集合中所有第一电容的第一极板相连；第一集合中任何一个第一电容的容值小于第二集合中任何一个第一电容的容值；第一集合中所有第一电容的第一极板与输出端连接。

在一些实施方式中，开关网络包括多个第二开关；开关网络中的所有第二开关与所有第一电容一一对应，每个第二开关与相对应的一个第一电容的第二极板连接。

在一些实施方式中，模数转换电路还包括第三开关，第三开关的一端用于接入共模电压，第三开关的另一端与输出端连接。

在一些实施方式中，第四开关的一端用于接入共模电压或输入电压，第四开关的另一端与比较器的输入端连接。

根据本申请的另一方面，提供了一种转换器，包括上述任一种的模数转换电路和逻辑控制电路，逻辑控制电路用于控制模数转换电路中所有开关的通断。。

在一些实施方式中，转换器包括逐次逼近式模数转换器，或，流水线-逐次逼近混合结构模数转换器，或，增量-逐次逼近混合结构模数转换器，或，Σ-Δ-逐次逼近混合结构模数转换器。

根据本申请的另一方面，提供一种转换器的控制方法，转换器包括权电容网络、开关网络和比较器，权电容网络包括至少一个第一开关和多个第一电容；每个第一开关用于导通或断开部分第一电容与另一部分第一电容的连接；每个第一电容用于存储电荷，以使权电容网络的输出端根据每个第一电容中存储的电荷输出模拟电压；开关网络用于根据数字控制信号控制每个第一电容所存储电荷的极性，以控制权电容网络的输出端输出的模拟电压；以及比较器，与权电容网络的输出端连接，方法包括：

控制权电容网络中至少一个第一开关断开，或控制所有第一开关闭合；

控制开关网络以控制每个第一电容所存储的电荷的极性，以控制权电容网络的输出端输出的模拟电压。

根据本申请的另一方面，提供了一种集成电路，包括上述任一种的模数转换电路或上述任一种转换器。

根据本申请的另一方面，提供了一种智能设备，包括上述任一种的集成电路。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案可实现可变的分辨率和转换速率，且结构简单，无需耗费更多面积和功耗的技术效果。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本申请的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1示出了根据本申请示例性实施例的一种模数转换电路的框图；

图2示出了根据本申请示例性实施例的另一种模数转换电路的框图；

图3示出了根据本申请示例性实施例的又一种模数转换电路的框图；

图4示出了根据本申请示例性实施例的又一种模数转换电路的框图；

图5示出了根据本申请示例性实施例的又一种模数转换电路的框图；

图6示出了根据本申请示例性实施例的一种SAR ADC的框图；

图7示出了根据本申请示例性实施例的一种SAR ADC逐次逼近将待测电压转换为数字量的方法流程示意图；

图8示出了根据本申请示例性实施例的一种单端SAR ADC的框图；

图9示出了根据本申请示例性实施例的一种差分SAR ADC结构图；

图10示出了根据本申请示例性实施例的一种转换器的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施例。虽然附图中显示了本申请的某些实施例，然而应当理解的是，本申请可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本申请。应当理解的是，本申请的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本申请的保护范围。

应当理解，本申请的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本申请的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本申请实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

以下参照附图描述本申请的方案：

图1示出了根据本申请示例性实施例的一种模数转换电路的框图，该电路包括权电容网络10、开关网络20以及比较器30。权电容网络10包括至少一个第一开关11和多个第一电容12；每个第一开关11用于导通或断开部分第一电容12与另一部分第一电容12的连接；每个第一电容12用于存储电荷，以使权电容网络10的输出端13根据每个第一电容12中存储的电荷输出模拟电压；开关网络20用于根据数字控制信号控制每个第一电容12所存储的电荷的极性，以控制权电容网络10的输出端13输出的模拟电压；以及比较器30，与所述权电容网络的输出端连接。

本申请的模数转换电路，模数转换电路中的权电容网络10，包括多个第一电容12。权电容网络10的每个电容分别对应1位精度，权电容网络10包含的电容数量越多，模数转换电路的精度越高。例如8位精度的模数转换电路的权电容网络10包括8个电容。不同的电容分别对应不同的位，处于较高1位的电容的容值是较低1位电容的容值的2倍。为了取得较高的精度，电容的容值呈指数级放大，例如14位精度的模数转换电路，对应最高1位的电容的容值是最低位的容值的2¹³倍。实际应用中，模数转换电路还可包括冗余电容，冗余电容的容值可以与最低位电容的容值相等，也可以与其他较低位电容的容值相等，本申请对是否设置冗余电容以及冗余电容的容值不做限定。

开关网络20用于控制权电容网络10中的每个电容所存储的电荷。电容与参考电源连接时，能够进行充电，存储与容值对应的电荷。权电容网络10输出的电压与所有电容中存储的电荷相关。因而，外部的控制信号能够控制开关网络20中的开关的闭合和断开，以控制权电容网络10输出的模拟电压，该模拟电压即整个模数转换电路输出的模拟电压。

实际应用中，模数转换电路的转换速度与权电容网络10的总电容值相关，因而控制用于转换的电容数量即能够改变模数转换电路的转换速度。本申请中通过第一开关11来控制部分电容是否用做转换。例如，权电容网络10包括14个电容(权电容)，通过第一开关11可以将用于转换的电容数量在8个和14个之间切换，从而控制模数转换电路的精度在8位和14位之间切换。由此，可以根据需要灵活选择所需的转换精度和转换速度。

可选地，第一开关11可以是一个，也可以是多个。当第一开关11为多个时，可以存在更多种可选的精度及转换速度，实现对精度和电压转换速度更灵活的控制。

图2示出了根据本申请示例性实施例的另一种模数转换电路的框图，作为一个实施例，权电容网络10中的电容分为两个部分，第一部分的电容121的第一极板都与节点a连接，第二部分的电容122的第一极板与节点b连接，一个第一开关11位于节点a和节点b之间。节点a与权电容网络10的输出端13连接。当不需要较高的精度时，为了提高转换速度，可以断开第一开关11，此时仅第一部分的电容121用于转换；当需要较高精度时，可以闭合第一开关11，此时第一部分121和第二部分122的电容均用于转换。其中，第一部分121的电容可以是较高位的电容，第二部分122的电容可以是较低位的电容。第一极板可以是上极板，也可以是下极板，本申请对此不做限制。

图3示出了根据本申请示例性实施例的又一种模数转换电路的框图，作为一个实施例，权电容网络10中的电容分为三个部分，第一部分的电容121的第一极板都与节点a连接，节点a与权电容网络10的输出端13连接，第二部分的电容122的第一极板与节点b连接，第三部分123的电容的第一极板都与节点c连接，一个第一开关11(a)位于节点a和节点b之间，另一个第一开关11(b)位于节点b和节点c之间。节点a与输出端13连接。当对精度要求较低时时，为了提高转换速度，可以断开第一开关11(a)，此时仅第一部分的电容用于转换；当需要中等精度时，可以断开另一个第一开关11(b)，闭合第一开关11(a)，此时第一部分和第二部分的电容用于转换；当需要较高精度时，可以闭合一个第一开关11(a)和另一个第一开关11(b)，此时第一部分、第二部分和第三部分的电容均用于转换。

本申请实施例中可以实现将模数转换电路的权电容网络10分为至少两个部分，当对输出的电压的精度要求较高时，通过第一开关切换使用所有部分的电容，以保证输出精度；当对输出的电压的转换速度要求较高时，通过第一开关切换使用其中一部分电容，以保证电压转换速度较高。可见，通过第一开关进行的切换，使得模数转换电路能够具有高精度和高转换速度的优点。

在一些实施方式中，第一开关11的第一端与第一集合中所有第一电容12的第一极板相连，第一开关11的第二端与第二集合中所有第一电容12的第一极板相连；第一集合中任何一个第一电容12的容值小于第二集合中任何一个第一电容12的容值；第一集合中所有第一电容12的第一极板与输出端13连接。

实际应用中，每个第一电容12对应不同的权值(即精度)，所有的第一电容12按照权值的顺序排列，所有的第一电容可以分为两个部分：第一集合和第二集合，第一集合中的电容容值较小，第二集合中所有的电容容值较大。第一开关用于控制第二集合中所有的电容的第一极板是否与第一集合中所有的电容的第一极板相连。相连时，模数转换电路的全电容网络的容值更大，速度较慢，精度更高；断开时，速度较快，精度较低。

作为一些实施例，开关网络20还包括多个第二开关，开关网络20中的所有第二开关与所有第一电容12一一对应连接，每个第二开关与相对应的一个第一电容12的第二极板连接。其中第二极板是与第一极板相对的另一个极板。例如，若第一极板是上极板，则第二极板是下极板。若第一极板是下极板，则第二极板是上极板。

图4示出了根据本申请示例性实施例的又一种模数转换电路的框图，作为一些实施例，还包括第三开关40，第三开关40的一端用于接入共模电压，第三开关40的另一端与权电容网络10的输出端13连接，也即与比较器30的输入端连接。

作为一个实施例，以包括一个第一开关11的权电容网络10为例，第一开关11将权电容网络10分为两个部分，第一部分所有电容的第一极板与权电容网络10的输出端13连接，第二部分所有电容的第一极板通过第一开关11与第一部分所有电容的第一极板连接。当第一开关11闭合、第三开关40闭合时，权电容网络10的输出端13接入共模电压，权电容网络10中的所有电容的第一极板接入共模电压；当第一开关11断开、第三开关40闭合时，权电容网络10的输出端13接入共模电压，也即第一部分所有电容的第一极板接入共模电压。

图5示出了根据本申请示例性实施例的又一种模数转换电路的框图，作为一些实施例，还包括第四开关50；第四开关50的一端用于接入共模电压，第四开关50的另一端与预定节点连接。其中，预定节点在所有第一开关11闭合时与权电容网络10的输出端13连接，在任意一个第一开关11断开时，预定节点与权电容网络10的输出端13断开；第四开关50用于在导通时通过共模电压对与预定节点连接的第一电容12进行复位。例如，当第四开关50和所有第一开关11都导通时，所有第一电容12均连接到预定节点，可以对所有第一电容12进行复位。当任意一个第一开关11断开时，仅部分第一电容12连接到预定节点，则第四开关50只对连接到预定节点的部分第一电容12进行复位。

作为一种实施例，如上文所述的包括一个第一开关11的权电容网络10，当第一开关11断开时，第一部分的电容(例如图5中第一开关11右侧的电容)可以通过第三开关40引入的共模电压进行复位，但第二部分的电容(例如图5中第一开关11左侧的电容)无法通过第三开关40引入的共模电压进行复位，此时第二部分的电容可以通过第四开关50引入的共模电压进行复位。这样当第一开关11断开时，可以通过第三开关40与第四开关50对所有的第一电容进行复位。

根据本申请的另一方面，提供了一种转换器，包括上述任一种的模数转换电路和逻辑控制电路，逻辑控制电路用于控制模数转换电路中所有开关的通断。。

作为一些实施例，转换器包括但不限于逐次逼近式模数转换器，或，流水线-逐次逼近混合结构模数转换器，或，增量-逐次逼近混合结构模数转换器，或，Σ-Δ-逐次逼近混合结构模数转换器。

作为一种实施例，图6示出了根据本申请示例性实施例的一种SAR ADC的框图，主要包括本申请的模数转换电路和逻辑控制电路，模数转换电路包括DAC电路(其中包括权电容网络10和开关网络20)，CMP(Comparator，即比较器30)。Vin为待测电压，Vref为参考电压，SW为复位开关，Vcm为共模电压，Vdac为模数转换的电路输出模拟电压。

作为一些实施例，比较器用于对模数转换电路的权电容网络10输出的模拟信号与待测电压进行比较，得到第一比较结果；将第一比较结果发送给外部控制器，以使外部控制器根据第一比较结果控制模数转换电路。

作为一种实施例，图7示出了根据本申请示例性实施例的一种SAR ADC逐次逼近将待测电压转换为数字量的方法流程示意图，该方法包括：

步骤701，配置当前量化位为电压数据的最高位；当前量化位为电压数据中的一位数据；

步骤702，判断共模电压是否大于模拟电压(即得到第一比较结果)：若是则跳转步骤703，若否则跳转步骤704；

步骤703，配置当前量化位的数值为1，跳转步骤705；

步骤704，配置当前量化位的数值为0，跳转步骤705；

步骤705，判断电压数据的最低位数据是否已被量化(即判断是否完成逐次逼近)：若是则跳转步骤706，若否则跳转步骤707；

步骤706，将电压数据确定为转换结果；

步骤707，根据当前量化位的数值更新DAC输出的模拟电压；

步骤708，将当前量化位降低1位，跳转步骤702。

作为一个实施例，图8示出了根据本申请示例性实施例的一种单端SAR ADC的框图。SW1为第一开关11，用于导通或断开模数转换电路中一个部分的第一电容12(CL1-CLi)和另一部分的第一电容12(CM1-CMj)的连接。其中，V1-V3为共模电压，待测电压可从开关网络20输入。SW3为第三开关，SW5为第四开关。

作为一些实施例，比较器用于对两个模数转换电路输出的模拟信号进行比较，得到第二比较结果；将第二比较结果发送给外部控制器，以使外部控制器根据第二比较结果控制两个模数转换电路。

作为一个实施例，图9示出了根据本申请示例性实施例的一种差分SAR ADC结构图，CM1-CMj为一部分的第一电容12；CL1-CLi为另一部分的第一电容12，开关SW1/2(即第一开关11)和SW5/6(即第四开关)可以为双刀单掷的开关，V1-V4为共模电压Vcm、ADC的待测电压为Vin；当需要高分辨率时，SW1/2导通，SW5/6断开，DAC有效电容为CMi-CMj和CL1-CLi，用于转换电压的有效电容更多、更大；当需要高转换速率时，SW1/2断开，SW5/6导通，DAC用于转换电压的有效电容为CL1-i，有效电容更少、更小。

作为一种实施例，本申请的所有转换器可以是第一极板采样的，也可以是第二极板采样的。

图10示出了根据本申请示例性实施例的一种转换器的控制方法的流程图，转换器包括权电容网络、开关网络和比较器，权电容网络包括至少一个第一开关和多个第一电容；每个第一开关用于导通或断开部分第一电容与另一部分第一电容的连接；每个第一电容用于存储电荷，以使权电容网络的输出端根据每个第一电容中存储的电荷输出模拟电压；开关网络用于根据数字控制信号控制每个第一电容所存储电荷的极性，以控制权电容网络的输出端输出的模拟电压；以及比较器，与权电容网络的输出端连接，该方法包括以下步骤：

步骤1001，控制权电容网络中至少一个第一开关断开，或控制所有第一开关闭合；

步骤1002，控制开关网络以控制每个第一电容所存储的电荷的极性，以控制权电容网络的输出端输出的模拟电压。

在一些实施方式中，转换器还包括第三开关，共模电压通过第三开关与输出端连接；其中，控制权电容网络中至少一个第一开关断开，或控制所有第一开关闭合之后，还包括：

控制第三开关导通或断开。

在一些实施方式中，转换器还包括第四开关；共模电压通过第四开关与预定节点连接；预定节点在所有第一开关闭合时与输出端连接，在任意一个第一开关断开时，与输出端断开；

其中，控制权电容网络中至少一个第一开关断开，或控制所有第一开关闭合之后，还包括：

控制第四开关导通或断开。

根据本申请的另一方面，提供了一种集成电路，包括权利要求上述任一种的模数转换电路或上述任一种转换器。

根据本申请的另一方面，提供了一种智能设备，包括权利要求上述任一种的转换器。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，可以实现将电容式DAC的权电容网络10分为两个部分，当对输出的电压的精度要求较高时，使用两个部分的电容，以保证输出精度，当对输出的电压的精度要求不高时，使用其中一部分电容，以保证电压转换速度更高，能够实现既能输出较高精度的电压，又能较快地输出电压的技术效果。

以上对本申请所提供的模数转换电路、转换器、控制方法、集成电路和智能设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的电路和方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种模数转换电路，其特征在于，包括：

权电容网络，所述权电容网络包括至少一个第一开关和多个第一电容；每个所述第一开关用于导通或断开部分所述第一电容与另一部分所述第一电容的连接；每个所述第一电容用于存储电荷，以使所述权电容网络的输出端根据每个所述第一电容中存储的电荷输出模拟电压；

开关网络，所述开关网络用于根据数字控制信号控制每个所述第一电容所存储电荷的极性，以控制所述权电容网络的输出端输出的所述模拟电压；以及

比较器，与所述权电容网络的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，

所述第一开关的第一端与第一集合中所有所述第一电容的第一极板相连，所述第一开关的第二端与第二集合中所有所述第一电容的第一极板相连；所述第一集合中任何一个所述第一电容的容值小于所述第二集合中任何一个所述第一电容的容值；所述第一集合中所有所述第一电容的第一极板与所述输出端连接。

3.根据权利要求2所述的模数转换电路，其特征在于，所述开关网络包括多个第二开关；

所述开关网络中的所有第二开关与所有所述第一电容一一对应，每个所述第二开关与相对应的一个所述第一电容的第二极板连接。

4.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路还包括第三开关；所述第三开关的一端用于接入共模电压，所述第三开关的另一端与所述权电容网络的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括第四开关；所述第四开关的一端用于接入共模电压或输入电压，所述第四开关的另一端与所述比较器的输入端连接。

6.一种转换器，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的模数转换电路和逻辑控制电路，所述逻辑控制电路用于控制所述模数转换电路中所有开关的通断。

7.根据权利要求6所述的转换器，其特征在于，所述转换器为逐次逼近式模数转换器，或，流水线-逐次逼近混合结构模数转换器，或，增量-逐次逼近混合结构模数转换器，或，Σ-Δ-逐次逼近混合结构模数转换器。

8.一种转换器的控制方法，其特征在于，所述转换器包括权电容网络、开关网络和比较器，所述权电容网络包括至少一个第一开关和多个第一电容；每个所述第一开关用于导通或断开部分所述第一电容与另一部分所述第一电容的连接；每个所述第一电容用于存储电荷，以使所述权电容网络的输出端根据每个所述第一电容中存储的电荷输出模拟电压；所述开关网络用于根据数字控制信号控制每个所述第一电容所存储电荷的极性，以控制所述权电容网络的输出端输出的所述模拟电压；以及所述比较器，与所述权电容网络的输出端连接，所述方法包括：

控制权电容网络中至少一个第一开关断开，或控制所有所述第一开关闭合；

通过开关网络控制每个所述第一电容所存储的电荷极性，以控制所述权电容网络的输出端输出的模拟电压。

9.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的数模转换电路或权利要求6～7任一项所述的转换器。

10.一种智能设备，其特征在于，包括权利要求9所述的集成电路。

Images