CN115296670B - 模数转换电路、转换方法及全差分分段式adc - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC，该电路包括：比较单元用于比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；逻辑控制单元用于根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果，确定比较单元与斜坡发生单元连接的第一连接端，以及与基准电压生成单元连接的第二连接端；比较单元还用于对目标模拟输入信号进行模数转换。本申请的模数转换电路可以在不额外增加加法器以及采用精密运放和精密电阻的情况下，对输入的负电压进行模数转换，降低了对负电压进行模数转换的成本，电路结构简单，并且使得模数转换电路的动态范围和信噪比翻倍。

Description

模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，具体涉及一种模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC。

背景技术

单斜率ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)通常可以包括比较器、斜坡发生器、计数器以及存储单元等，其工作原理是将输入模拟电压信号与单斜坡信号进行比较，将输入电压信息转换为时间信息，再将时间信息转换为数字码，从而实现模拟信号到数字信号的转换。

由于普通的单斜率ADC的转换时间较长，因此，在单斜率ADC的基础上提出了一种分段式单斜率ADC，其在利用单斜坡信号对输入模拟电压信号进行量化之前，首先将满量程分为若干个子区间，在确定输入模拟电压信号所属于的子区间后，再在该子区间内用单斜坡信号对输入模拟电压信号进行量化，将输入模拟电压信号转换为对应的数字码。

但是，现有的分段式ADC通常只能对输入的正电压进行模数转换，若要对负电压进行模数转换，则需要通过加法器对该负电压进行抬升，并且需采用精密运放和精密电阻来确保转换精度，导致ADC电路结构复杂，成本较高。

发明内容

本申请提供一种模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC，旨在解决现有的分段式ADC在对负电压进行转换时，需要额外增加加法器以及采用精密运放和精密电阻，导致ADC电路结构复杂，成本较高的问题。

第一方面，本申请提供一种模数转换电路，该模数转换电路包括比较单元、斜坡发生单元、基准电压生成单元以及逻辑控制单元；

比较单元，用于比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；

逻辑控制单元，用于根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果，确定比较单元的第二组输入端中与斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元连接的第二连接端；控制斜坡发生单元与第一连接端连接，基准电压生成单元与第二连接端连接；

比较单元，还用于在斜坡发生单元与第一连接端连接以及基准电压生成单元与第二连接端连接的情况下，对目标模拟输入信号进行模数转换。

在本申请一种可能的实现方式中，逻辑控制单元用于：

若目标模拟输入信号大于参考电压信号，则确定第二组输入端中与斜坡发生单元连接的第一连接端为正相输入端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元连接的第二连接端为负相输入端；

若目标模拟输入信号小于参考电压信号，则确定第二组输入端中与斜坡发生单元连接的第一连接端为负相输入端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元连接的第二连接端为正相输入端。

在本申请一种可能的实现方式中，在逻辑控制单元根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果，确定比较单元的第二组输入端中与斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元连接的第二连接端，之前，斜坡发生单元分别与第一连接端和第二连接端连接，用于向第一连接端和第二连接端输出相同的电压信号，以得到参考电压信号。

在本申请一种可能的实现方式中，斜坡发生单元用于在粗调判决阶段，输出最大电压信号至第一连接端；最大电压信号是模数转换电路的最大转换电压信号；

基准电压生成单元用于在粗调判决阶段，响应于逻辑控制单元的第一控制信号，从大到小依次输出等差排列的多个基准电压信号至第二连接端；

比较单元用于在粗调判决阶段，比较每个粗调判决基准信号与目标模拟输入信号；粗调判决基准信号是最大电压信号与各基准电压信号的差值信号；

逻辑控制单元用于根据每个粗调判决基准信号与目标模拟输入信号的比较结果，确定基准电压生成单元输出的目标基准电压信号，以在细调判决阶段控制基准电压生成单元输出目标基准电压信号。

在本申请一种可能的实现方式中，目标模拟输入信号大于参考电压信号时，逻辑控制单元用于在当前粗调判决基准信号大于目标模拟输入信号时，确定与当前粗调判决基准信号对应的基准电压信号为目标基准电压信号；

目标模拟输入信号小于参考电压信号时，逻辑控制单元用于在当前粗调判决基准信号小于目标模拟输入信号时，确定与当前粗调判决基准信号对应的基准电压信号为目标基准电压信号。

在本申请一种可能的实现方式中，模数转换电路还包括计数单元；

斜坡发生单元用于在细调判决阶段，响应于逻辑控制单元的第二控制信号，输出斜坡电压信号；斜坡电压信号随计数单元的计数值的增加而增加；

比较单元用于比较斜坡电压信号与目标模拟输入信号；

逻辑控制单元用于根据斜坡电压信号与目标模拟输入信号的比较结果，判断是否获取计数单元的当前计数值。

在本申请一种可能的实现方式中，目标模拟输入信号大于参考电压信号时，逻辑控制单元用于在斜坡电压信号大于目标模拟输入信号时，获取计数单元的当前计数值，根据当前计数值得到目标模拟输入信号对应的数字信号；

目标模拟输入信号小于参考电压信号时，逻辑控制单元用于在斜坡电压信号小于目标模拟输入信号时，获取计数单元的当前计数值，根据当前计数值得到目标模拟输入信号对应的数字信号。

在本申请一种可能的实现方式中，斜坡发生单元包括多个第一电阻串联而成的第一电阻串和多个第二电阻串联而成的第二电阻串，第一电阻串与第二电阻串串联，且第二电阻串与多个第一电阻均分模数转换电路的最大转换电压；

第二电阻串还并联有由多个第三电阻串联而成的第三电阻串，第三电阻串均分为与第二电阻数量相等的多个第三子串，各第三子串分别与对应的第二电阻并联，且各第三电阻分别通过选通开关与第一连接端连接。

第二方面，本申请还提供一种模数转换方法，该模数转换方法用于对输入第一方面或者第一方面任一种可能的实现方式的模数转换电路的目标模拟输入信号进行模数转换，模数转换方法包括：

比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；

根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果，确定模数转换电路的比较单元的第二组输入端中与模数转换电路的斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定第二组输入端中与模数转换电路的基准电压生成单元连接的第二连接端，并控制斜坡发生单元与第一连接端连接，基准电压生成单元与第二连接端连接；

在斜坡发生单元与第一连接端连接以及基准电压生成单元与第二连接端连接的情况下，对目标模拟输入信号进行模数转换。

第三方面，本申请还提供一种全差分分段式ADC，该全差分分段式ADC包括第一方面或者第一方面任一种可能的实现方式的模数转换电路。

从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：

本申请中，在对目标模拟输入信号进行模数转换之前，首先将目标模拟输入信号与预设的参考电压信号进行比较，根据比较结果来确定斜坡发生单元与比较单元的连接端以及基准电压生成单元与比较单元的连接端，然后在斜坡发生单元和基准电压生成单元分别与比较单元的相应连接端进行连接的情况下，再对目标模拟输入信号进行模数转换，使得本申请的模数转换电路不仅可以对输入的正电压进行模数转换，还可以在不额外增加加法器以及采用精密运放和精密电阻的情况下，对输入的负电压进行模数转换，降低了对负电压进行模数转换的成本，电路结构简单，并且使得模数转换电路的动态范围和信噪比翻倍。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对本申请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的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请实施例中提供的模数转换电路的一个结构示意图；

图2是现有的普通ADC的一个结构示意图；

图3是图2所示的普通ADC的一个模数转换示意图；

图4是现有的分段式单斜率ADC的一个结构示意图；

图5是图4所示的分段式单斜率ADC的一个模数转换示意图；

图6是图1所示的模数转换电路的一个模数转换示意图；

图7是本申请实施例中提供的模数转换电路的另一个结构示意图；

图8是现有的斜坡发生器的一个结构示意图；

图9是现有的斜坡发生器的另一个结构示意图；

图10是本申请实施例中提供的斜坡发生单元的一个结构示意图；

图11是本申请实施例中提供的斜坡发生单元的步进幅度与现有的斜坡发生器的步进幅度的一个对比示意图；

图12是本申请实施例中提供的模数转换方法的一个流程示意图；

图13是本申请实施例中提供的全差分分段式ADC的一个结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

需要指出的是，本申请实施例中“连接”可以理解为电连接，两个电学元件连接可以是两个电学元件之间的直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元件间接连接。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

在对本申请的一种模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC进行介绍之前，首先对现有技术的ADC单元进行说明。

请参阅图2，图2是现有的普通ADC的一个结构示意图，该ADC包括比较器、斜坡发生器、计数器和存储单元，其工作原理是：计数器基于预设的频率和步长更新计数值，同时，斜坡发生器输出的单斜坡信号的幅值随着计数器的计数值的增长而增长，通过比较器对输入的目标模拟输入信号Vin与斜坡发生器输出的单斜坡信号进行比较，当单斜坡信号的幅值大于目标模拟输入信号Vin的幅值时，比较器翻转，存储单元同步记录此时的计数值得到数字信号Dout，从而实现将目标模拟输入信号Vin转换为数字信号Dout。

例如，假设该ADC是一个十位的ADC，则其精度是1/2¹⁰，转换最大值n＝2¹⁰，假设斜坡发生器的电压范围为0V-0.8V，则该ADC的最低有效位(Least Significant Bit，LSB)为0.8V/2¹⁰＝781.25uV，也就是说，当计数器的计数值每增长一次，斜坡发生器的单斜坡信号的电压幅值升高781.25uV。

如图3所示，图3是图2所示的普通ADC的一个模数转换示意图，假设目标模拟输入信号Vin＝796.1mV，当计数器从0开始计数，当计数器的计数值为1020时，对应的单斜坡信号的电压幅值为781.25uV*1020＝796.875mV，刚好超过目标模拟输入信号Vin，此时，比较器的输出信号翻转，存储单元同步记录此时计数器的计数值，则数字信号Dout＝1020，从而实现目标模拟输入信号796.1mV到数字信号1020之间的量化。

然而，由于一个十位的ADC完成一次转换需要计数1024次，导致转换时间较长，因此出现了一种分段式单斜率ADC，如图4所示，图4是现有的分段式单斜率ADC的一个结构示意图，该分段式单斜率ADC在普通ADC的基础上添加了基准电压产生器、多个选通开关以及逻辑控制器，其在使用斜坡发生器的单斜坡信号对目标模拟输入信号(Vinp-Vinn)进行量化之前，首先将ADC的满量程分为多个子区间，然后进行粗调判决，确定该目标模拟输入信号属于哪个子区间，然后再进行细条判决，用该子区间内的小单斜坡信号最终量化目标模拟输入信号。

假设该分段式单斜率ADC的满量程分为8个子区间，该分段式单斜率ADC同样也是一个十位的ADC，那么对于每个子区间来说，计数器只需要数1024/8＝128次便能完成量化。

请参阅图5，图5是图4所示的分段式单斜率ADC的一个模数转换示意图，假设该分段式单斜率ADC满量程为0V-0.8V，且子区间的数量k为2³＝8，则每个子区间计数器计数次数为2^10-3＝2⁷＝128，同时，假设基准电压产生器生成的多个基准电压分别为vref_0＝0V，vref_1＝0.1V，…，vref_7＝0.7V。

则在粗调判决阶段，斜坡发生器的单斜坡信号的电压幅值ramp＝0.8V，该单斜坡信号的电压幅值ramp与各基准电压之差分别为ramp-vref_0＝0.8V，ramp-vref_1＝0.7V，...，ramp-vref_7＝0.1V，通过逻辑控制器分别控制各选通开关闭合，遍历各基准电压，当斜坡发生器的单斜坡信号的电压幅值与基准电压之差大于目标模拟输入信号(Vinp-Vinn)时，比较器的输出信号发生翻转，记录此时闭合的选通开关及基准电压产生器的基准电压，得到目标模拟输入信号(Vinp-Vinn)所属的子区间范围，如图5所示，当c＝1时，对应的斜坡发生器的单斜坡信号的电压幅值ramp与基准电压vref_1之差大于目标模拟输入信号(Vinp-Vinn)，比较器的输出信号发生翻转，此时与基准电压vref_1关联的选通开关闭合。

然后在细调判决阶段，斜坡发生器的单斜坡信号的电压幅值ramp不再是0.8V，而是一个从0.7V向0.8V上升的斜坡信号，该斜坡信号随计数器的计数值的增长而上升，并且在粗调判决阶段确定的子区间内，计数器的计数值从896数到1024，由于vref_1＝0.1V，因此，粗调判决阶段确定的子区间为(ramp-vref_2，ramp-vref_1)，即细调判决阶段的小单斜坡信号是从0.6V向0.7V上升的斜坡，当该小单斜坡信号的电压幅值ramp-vref超过目标模拟输入信号(Vinp-Vinn)时，比较器的输出信号发生翻转，存储单元同步记录计数器的计数值f，该计数值f则位于896与1024之间，最终的数字信号Dout＝f-c*2^q。

由图4可以知道，通常情况下，斜坡发生器是与比较器的一组输入端中的正相输入端连接，基准电压产生器是与该组输入端中的负相输入端连接，由此，可以知道现有的ADC在不改变电路组成和结构的情况下，只能对正电压进行模数转换，若要对负电压进行模数转换，则需要额外增加加法器抬升负电压，同时电路中的运算放大器和电阻需采用精密型的，从而导致电路结构复杂且成本较高。

由此，本申请实施例提供一种模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC，以下分别进行详细说明。

首先，本申请提供一种模数转换电路，请参阅图1，图1是本申请实施例中提供的模数转换电路的一个结构示意图，该模数转换电路包括比较单元100、斜坡发生单元200、基准电压生成单元300以及逻辑控制单元400；其中，比较单元100可以用于比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；逻辑控制单元400可以用于根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果，确定比较单元100的第二组输入端中与斜坡发生单元200连接的第一连接端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元300连接的第二连接端；控制斜坡发生单元200与第一连接端连接，基准电压生成单元300与第二连接端连接；比较单元100还可以用于在斜坡发生单元200与第一连接端连接以及基准电压生成单元300与第二连接端连接的情况下，对目标模拟输入信号进行模数转换。

可以理解的，比较单元100可以是现有的任一种配置有两组输入端的比较器，其中，该比较单元100的第一组输入端可以与外部连接端(图中未示出)连接，用于接收目标模拟输入信号Vinp-Vinn，第二组输入端可以与斜坡发生单元200和基准电压生成单元300连接，用于接收斜坡信号和基准电压信号。

现有技术中，第二组输入端的正相输入端通常是与斜坡发生单元200连接，第二组输入端的反相输入端通常是与基准电压生成单元300连接，由于斜坡发生单元200输出的斜坡信号始终大于基准电压生成单元300输出的基准电压信号，因此，斜坡信号与基准电压信号之差始终大于0，导致现有的模数转换器仅能将正电压信号转换为对应的数字信号，无法直接对负电压信号进行转换。

而本申请实施例中，比较单元100的第二组输入端并非直接与斜坡发生单元200和基准电压生成单元300连接，而是首先对目标模拟输入信号和预设的参考电压信号进行大小比较，再由逻辑控制单元400根据比较结果确定比较单元100的第二组输入端中与斜坡发生单元200和基准电压生成单元300分别连接的端子，即本申请实施例中，斜坡发生单元200既可以与比较单元100的第二组输入端中的正相输入端连接，也可以与第二组输入端中的负相输入端连接，相对应的，基准电压生成单元300既可以与比较单元100的第二组输入端中的负相输入端连接，也可以与第二组输入端中的正相输入端连接，具体如何连接，可以根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果进行确定。

可以理解的，若斜坡发生单元200与比较单元100的第二组输入端中的正相输入端连接，基准电压生成单元300与比较单元100的第二组输入端中的负相输入端连接，则本申请实施例的模数转换电路可以对正电压信号进行模数转换；而若斜坡发生单元200与比较单元100的第二组输入端中的负相输入端连接，基准电压生成单元300与比较单元100的第二组输入端中的正相输入端连接，则本申请实施例的模数转换电路可以对负电压信号进行模数转换。

本实施例中，参考电压信号可以是零点电压信号，而在其他的一些应用场景中，参考电压信号也可以是根据实际应用场景确定的如+5V电压信号、-2V电压信号等其他电压信号，具体此处不做限定。

以参考电压信号是零点电压信号为例，如图1所示，斜坡发生单元200的输出端可以通过两个选通开关分别与比较单元100的第二组输入端的正相输入端和负相输入端连接，由逻辑控制单元400控制该两个选通开关的开关状态，当逻辑控制单元400同时向两个选通开关输出控制信号时，该两个选通开关可以响应于控制信号同时闭合，从而斜坡发生单元200的斜坡信号ramp分别输出至第二组输入端的正相输入端和负相输入端，从而此时比较单元100的第二组输入端的输入信号为ramp-ramp＝0，即零点电压信号，此时比较单元100将目标模拟输入信号Vinp-Vinn与零点电压信号进行比较，根据比较结果可以判断目标模拟输入信号Vinp-Vinn位于正半轴还是负半轴，即可以判断目标模拟输入信号Vinp-Vinn是正电压信号还是负电压信号，从而逻辑控制单元400可以根据比较单元100的输出信号来控制斜坡发生单元200和基准电压生成单元300分别与比较单元100的连接端。

可以理解的，在其他的一些应用场景中，第二组输入端的正相输入端和负相输入端还可以同时接收除斜坡信号ramp外的其他电压信号，控制其他电压信号之差为零点电压信号或其他参考电压信号，便可以实现对目标模拟输入信号和参考电压信号的比较。

或者，第二组输入端的正相输入端和负相输入端可以同时与基准电压生成单元300连接，控制基准电压生成单元300向正相输入端和负相输入端输入相同的基准电压信号，从而第二组输入端同样可以得到与目标模拟输入信号进行比较的零点电压信号。

又或者，第二组输入端的正相输入端和负相输入端还可以同时连接接地极，此时第二组输入端同样可以得到与目标模拟输入信号进行比较的零点电压信号。

在另一些应用场景中，还可以预先将参考电压信号存储于比较单元100中，当目标模拟输入信号输入比较单元100后，比较单元100直接对该目标模拟输入信号和参考电压信号进行比较，以得到比较结果。

逻辑控制单元400根据比较结果确定斜坡发生单元200和基准电压生成单元300分别与比较单元100的连接端之后，便可以通过选通开关或者软件控制的方式控制相应连接端与斜坡发生单元200和基准电压生成单元300之间电性导通，从而对目标模拟输入信号进行模数转换。

本申请实施例中，在对目标模拟输入信号进行模数转换之前，首先将目标模拟输入信号与预设的参考电压信号进行比较，根据比较结果来确定斜坡发生单元200与比较单元100的连接端以及基准电压生成单元300与比较单元100的连接端，然后在斜坡发生单元200和基准电压生成单元300分别与比较单元100的相应连接端进行连接的情况下，再对目标模拟输入信号进行模数转换，使得本申请的模数转换电路不仅可以对输入的正电压进行模数转换，还可以在不额外增加加法器以及采用精密运放和精密电阻的情况下，对输入的负电压进行模数转换，降低了对负电压进行模数转换的成本，电路结构简单，并且使得模数转换电路的动态范围和信噪比翻倍，扩大了模数转换电路的应用场景。

接下来继续对图1所示的模数转换电路中的各单元以及在实际应用中可能采用的具体实施方式进行详细阐述。

在本申请一些实施例中，逻辑控制单元400可以用于：

若目标模拟输入信号大于参考电压信号，则确定第二组输入端中与斜坡发生单元连接的第一连接端为正相输入端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元连接的第二连接端为负相输入端；

若目标模拟输入信号小于参考电压信号，则确定第二组输入端中与斜坡发生单元连接的第一连接端为负相输入端，以及确定第二组输入端中与基准电压生成单元连接的第二连接端为正相输入端。

如图6所示，图6是图1所示的模数转换电路的一个模数转换示意图，当参考电压信号为零点电压信号时，首先在标识阶段确定目标模拟输入信号位于正半轴还是负半轴，若待转换的目标模拟输入信号大于参考电压信号，则可以确定目标模拟输入信号位于正半轴，即目标模拟输入信号为正电压信号，从而可以确定斜坡发生单元200与比较单元100的第二组输入端中的正相输入端连接，基准电压生成单元300与比较单元100的第二组输入端中的负相输入端连接，斜坡发生单元200输出的斜坡信号与基准电压生成单元300输出的基准电压信号之差始终大于0，以对位于正半轴的目标模拟输入信号进行量化。

而若待转换的目标模拟输入信号小于参考电压信号，则可以确定目标模拟输入信号位于负半轴，即目标模拟输入信号为负电压信号，从而可以确定斜坡发生单元200与比较单元100的第二组输入端中的负相输入端连接，基准电压生成单元300与比较单元100的第二组输入端中的正相输入端连接，基准电压生成单元300输出的基准电压信号与斜坡发生单元200输出的斜坡信号之差始终小于0，以对位于负半轴的目标模拟输入信号进行量化。

在本申请一些实施例中，斜坡发生单元200用于在粗调判决阶段，输出最大电压信号至第一连接端；最大电压信号是模数转换电路的最大转换电压信号；

基准电压生成单元300用于在粗调判决阶段，响应于逻辑控制单元400的第一控制信号，从大到小依次输出等差排列的多个基准电压信号至第二连接端；

比较单元100用于在粗调判决阶段，比较每个粗调判决基准信号与目标模拟输入信号；粗调判决基准信号是最大电压信号与各基准电压信号的差值信号；

逻辑控制单元400用于根据每个粗调判决基准信号与目标模拟输入信号的比较结果，确定基准电压生成单元300输出的目标基准电压信号，以在细调判决阶段控制基准电压生成单元300输出目标基准电压信号。

可以理解的，粗调判决阶段即是确定目标模拟输入信号所位于的目标子区间，由于本申请实施例的模数转换电路可以通过改变斜坡发生单元200和基准电压生成单元300分别与比较单元100的连接端来确保对正电压信号和负电压信号进行模数转换，因此，对于负电压信号的模数转换与正电压信号的模数转换类似，只不过转换过程中各信号的极性与对正电压信号进行模数转换时的信号极性相反。

在粗调判决阶段，斜坡发生单元200可以输出最大电压信号至比较单元100的第二组输入端中的第一连接端，该最大电压信号即是模数转换电路能够转换的最大转换电压信号，举例来说，若模数转换电路的量程为-0.8V-+0.8V，则最大电压信号为0.8V电压信号，值得注意的是，斜坡发生单元200输出的最大电压信号还可以是3.3V电压信号、5V电压信号等其他电压信号，最大电压信号可以根据实际应用场景进行确定，具体此处不做限定。

如图1所示，基准电压生成单元300通过多个选通开关分别与比较单元100的第二组输入端连接，若确定与基准电压生成单元300连接的第二连接端是正相连接端，则逻辑控制单元400可以通过第一控制信号控制该多个选通开关依次闭合导通，使得基准电压生成单元300依次输出不同的基准电压信号至正相连接端，同理，若确定与基准电压生成单元300连接的第二连接端是负相连接端，则逻辑控制单元400可以通过第一控制信号控制该多个选通开关依次闭合导通，使得基准电压生成单元300依次输出不同的基准电压信号至负相连接端。

以正半轴的模数转换为例，本申请实施例中，基准电压生成单元300输出的基准电压信号可以根据模数转换电路的正半轴粗调子区间数量进行确定，可以理解，相邻的两基准电压信号以及该两基准电压信号之间的电压信号构成一个正半轴粗调子区间，根据正半轴粗调子区间数量均分模数转换电路的正半轴转换量程，便可以得到相邻两基准电压信号之间的电压差值，再根据预设的参考电压初始值和电压差值，即能得到构成等差数列的多个基准电压信号。

例如，若模数转换电路的正半轴转换量程为0V-0.8V，正半轴粗调子区间数量为8，则正半轴粗调子区间数量均分模数转换电路的正半轴转换量程得到的电压差值为0.1V，此处，该电压差值还可以理解为每个正半轴粗调子区间的区间大小，该区间大小也就是相邻两个基准电压信号之间的电压差值。

假设本申请实施例中预设的参考电压初始值为0V，则根据该参考电压初始值以及该电压差值，可以确定得到8个基准电压信号，由于该8个基准电压信号之间的差值均为电压差值，因此，该8个基准电压信号中相邻的两个基准电压信号之差相等，即该8个基准电压信号构成等差数列，本实施例中，该8个基准电压信号从小到大依次为vref_0＝0V、vref_1＝0.1V、vref_2＝0.2V，...，vref_7＝0.7V。

可以理解的，本申请实施例中的多个基准电压信号可以是通过逻辑控制单元400遍历与基准电压生成单元300连接的各选通开关而得到的多个基准电压信号。

由于斜坡发生单元200与第一连接端连接，基准电压生成单元300与第二连接端连接，因此，根据斜坡发生单元200输出的模数转换电路的最大电压信号和基准电压生成单元300依次输出的多个基准电压信号，可以得到多个粗调判决基准信号，该多个粗调判决基准信号可以是最大电压信号与各基准电压信号的差值信号。

举例来说，若模数转换电路的最大电压信号ramp为0.8V电压信号，则正半轴的粗调判决基准信号可以是ramp-vref_7＝0.1V，...，ramp-vref_2＝0.6V，ramp-vref_1＝0.7V，ramp-vref_0＝0.8V。

而对于负半轴来说，粗调判决基准信号则可以是-(ramp-vref_7)＝-0.1V，...，-(ramp-vref_2)＝-0.6V，-(ramp-vref_1)＝-0.7V，-(ramp-vref_0)＝-0.8V，即如图6所示，图6中k为正半轴粗调子区间的数量，负半轴粗调子区间的数量与正半轴粗调子区间的数量相同，且负半轴的粗调判决基准信号的极性与正半轴的粗调判决基准信号的极性相反。

比较单元100可以依次对每个粗调判决基准信号与目标模拟输入信号进行比较，在正半轴即目标模拟输入信号大于参考电压信号时，当当前粗调判决基准信号大于目标模拟输入信号时，比较单元100的输出信号发生翻转，此时逻辑控制单元400则可以确定与当前粗调判决基准信号对应的基准电压信号为目标基准电压信号，从而根据该目标基准电压信号以及与该目标基准电压信号相邻且小于该目标基准电压信号的第二基准电压信号确定得到目标模拟输入信号位于的粗调子区间，以在细调判决阶段在该粗调子区间内对目标模拟输入信号进行量化，即在细调判决阶段控制逻辑控制单元400控制基准电压生成单元300的某一选通开关闭合导通，以确保基准电压生成单元300始终输出目标基准电压信号至比较单元100。

而在负半轴即目标模拟输入信号小于参考电压信号时，当当前粗调判决基准信号小于目标模拟输入信号时，比较单元100的输出信号发生翻转，此时逻辑控制单元400则可以确定与当前粗调判决基准信号对应的基准电压信号为目标基准电压信号，从而根据该目标基准电压信号以及与该目标基准电压信号相邻且大于该目标基准电压信号的第二基准电压信号确定得到目标模拟输入信号位于的粗调子区间，以在细调判决阶段在该粗调子区间内对目标模拟输入信号进行量化，即在细调判决阶段控制逻辑控制单元400控制基准电压生成单元300的某一选通开关闭合导通，以确保基准电压生成单元300始终输出目标基准电压信号至比较单元100。

请参阅图7，图7是本申请实施例中提供的模数转换电路的另一个结构示意图，在本申请一些实施例中，模数转换电路还可以包括计数单元500；

斜坡发生单元200可以用于在细调判决阶段，响应于逻辑控制单元400的第二控制信号，输出斜坡电压信号；斜坡电压信号随计数单元500的计数值的增加而增加；

比较单元100可以用于比较斜坡电压信号与目标模拟输入信号；

逻辑控制单元400还可以用于根据斜坡电压信号与目标模拟输入信号的比较结果，判断是否获取计数单元500的当前计数值。

本申请实施例中，在不考虑向下冗余位的情况下，目标模拟输入信号大于参考电压信号时，斜坡发生单元200输出至第一连接端的斜坡电压信号可以以第二基准电压信号为基准，随着计数单元500的计数值的增加而上升，具体的，第二基准电压信号的幅值即为斜坡电压信号的初始值，然后基于模数转换电路的最低有效位LSB，确定得到该斜坡电压信号的增长幅度，对于一个十位的模数转换电路，其在正半轴的最大电压信号为0.8V电压信号，则最低有效位LSB为0.8V/2¹⁰＝781.25uV，从而当计数单元500的计数值每次增加时，斜坡电压信号可以响应于同步时钟信号而同步增长781.25uV。

当计数单元500的计数值以斜坡电压信号的初始值为计数起点开始计数后，当斜坡电压信号小于或者等于目标模拟输入信号时，计数单元500的计数值按照预设的步长增加，斜坡电压信号的电压幅值基于其增长幅度如781.25uV同步增加，而当斜坡电压信号大于目标模拟输入信号时，比较单元100的输出信号翻转，逻辑控制单元400获取计数单元500的当前计数值，从而根据该当前计数值得到目标模拟输入信号对应的数字信号，此时数字信号Dout＝f-c*2^q，实现目标模拟输入信号的量化。

而目标模拟输入信号小于参考电压信号时，斜坡发生单元200输出至第一连接端的斜坡电压信号可以以第二基准电压信号为基准，随着计数单元500的计数值的增加而下降，具体的，第二基准电压信号的幅值即为斜坡电压信号的初始值，然后同样基于模数转换电路的最低有效位LSB，确定得到该斜坡电压信号的下降幅度如781.25uV，从而当计数单元500的计数值每次增加时，斜坡电压信号可以响应于同步时钟信号而同步下降781.25uV。

当计数单元500的计数值以斜坡电压信号的初始值为计数起点开始计数后，当斜坡电压信号大于或者等于目标模拟输入信号时，计数单元500的计数值按照预设的步长增加，斜坡电压信号的电压幅值基于其下降幅度同步减小，而当斜坡电压信号小于目标模拟输入信号时，比较单元100的输出信号翻转，逻辑控制单元400获取计数单元500的当前计数值，从而根据该当前计数值得到目标模拟输入信号对应的数字信号Dout＝2^m-(f-c*2^q)，实现目标模拟输入信号的量化，其中，m为模数转换电路的位数，例如十位的模数转换电路，m取值为10。

可以理解的，针对于考虑向下冗余位的应用场景，则可以根据设定的向下冗余位对斜坡电压信号的初始值进行偏移，从而以偏移后的初始值作为斜坡电压信号的起点，以对目标模拟输入信号的量化。

如图8所示，图8是现有的斜坡发生器的一个结构示意图，该斜坡发生器是一个以电阻DAC为基础的斜坡发生器，逻辑控制单元依次选通选通开关sw0到选通开关sw127，从而产生斜坡信号，由于匹配性的要求，图8中的每个电阻单元必须完全相同，对于一个十位的DAC来说，共计需要1024个电阻单元，所以它的面积需求非常大，适用范围较窄，因此，出现了分段式电阻DAC。

请参阅图9，图9是现有的斜坡发生器的另一个结构示意图，在匹配性方面分段式电阻DAC只需要各Rc电阻之间匹配，各Rf电阻之间匹配，所以可以有两种不同的电阻单元，分别为8个Rc电阻单元和128个Rf电阻单元。但由于128个Rf电阻单元串联的阻值Rf_total和Rc7电阻并联会降低0.7V与0.8V之间的阻值，使其不再与其他Rc电阻单元相等，使电路线性度降低。所以128个Rf电阻单元串联的阻值Rf_total需远远大于Rc7电阻的阻值，假设并联后0.7V上升不超过1个LSB，则根据下式：

可以得到Rf_total＝112*Rc，因此现有技术中，通常选择Rf＝1kΩ，Rc＝250Ω。

但是，当逻辑控制单元控制选通开关sw0往选通开关sw127遍历时，ramp斜坡电压信号的输出阻抗变化非常剧烈，根据时间常数τ＝R*C，因此，时间常数会变化，而时间常数的变化会导致每一次斜坡电压信号的变化幅值都不相同，即斜坡电压信号的步进幅度不再均匀，从而导致电路线性度降低。

基于此，在本申请一些实施例中，斜坡发生单元200可以包括多个第一电阻串联而成的第一电阻串和多个第二电阻串联而成的第二电阻串，第一电阻串与第二电阻串串联，且第二电阻串与多个第一电阻均分模数转换电路的最大转换电压；

第二电阻串还并联有由多个第三电阻串联而成的第三电阻串，第三电阻串均分为与第二电阻数量相等的多个第三子串，各第三子串分别与对应的第二电阻并联，且各第三电阻分别通过选通开关与第一连接端连接。

请参阅图10，图10是本申请实施例中提供的斜坡发生单元的一个结构示意图，本申请实施例中，第一电阻为阻值为250Ω的电阻Rc0至电阻Rc6，将图9中的电阻Rc7分成16等份后，第二电阻即为阻值为15.625Ω的电阻Rc7/16，而第三电阻即为阻值为1kΩ的电阻Rf0至电阻Rf127，根据图10可以知道，128个Rf电阻中，每8个Rf电阻串联为第三子串后与对应的第二电阻即电阻Rc7/16并联，而不再只有电阻Rf127的上端和电阻Rf0的下端与Rc电阻串相连。

如此，当逻辑控制单元400控制某一个选通开关sw闭合导通时，可以利用电阻Rc7/16的小阻值旁路大部分高阻值的电阻Rf，从而确保不同选通开关sw闭合导通时，斜坡电压信号的输出阻抗趋近于相同，即减小斜坡电压信号的输出阻抗的变化，确保斜坡电压信号的变化幅值趋近于相同。

可以理解的，根据上述实施例中描述的斜坡发生单元200以小阻值电阻旁路高阻值电阻的原理，还可以将电阻Rc7等分为8等份、32等份等，具体可以根据实际应用场景进行确定，此处不做限定。

如图11所示，图11是本申请实施例中提供的斜坡发生单元的步进幅度与现有的斜坡发生器的步进幅度的一个对比示意图，其中，横轴为斜坡电压信号的步进数，总共128步，纵轴为步进幅度，对于一个十位的0.8V模数转换电路，理论上，斜坡电压信号的步进幅度为781.25uV，但因为实际电路中各方面的干扰等原因，步进幅度无法完全一致，即步进幅度存在有大有小的情况，图11中，图9所示的斜坡发生器的最大步进幅度和最小步进幅度之间相差为182uV，非常不均匀，而本申请实施例中的斜坡发生单元200输出的斜坡电压信号的最大步进幅度和最小步进幅度之间相差只有62uV，可见，本申请的斜坡发生单元200将现有的斜坡发生器的不均匀性降低了2/3，提高了电路的线性度，从而确保了斜坡发生单元200的可靠性和模数转换电路的可靠性。

如图12所示，图12是本申请实施例中提供的模数转换方法的一个流程示意图，在上述模数转换电路的基础上，本申请实施例还提供一种模数转换方法，该模数转换方法用于对输入上述任一种实施例的模数转换电路的目标模拟输入信号进行模数转换，模数转换方法可以包括如下步骤：

步骤S1201、比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；

步骤S1202、根据目标模拟输入信号与参考电压信号的比较结果，确定模数转换电路的比较单元的第二组输入端中与模数转换电路的斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定第二组输入端中与模数转换电路的基准电压生成单元连接的第二连接端，并控制斜坡发生单元与第一连接端连接，基准电压生成单元与第二连接端连接；

步骤S1203、在斜坡发生单元与第一连接端连接以及基准电压生成单元与第二连接端连接的情况下，对目标模拟输入信号进行模数转换。

本申请实施例中，在对目标模拟输入信号进行模数转换之前，首先将目标模拟输入信号与预设的参考电压信号进行比较，根据比较结果来确定斜坡发生单元与比较单元的连接端以及基准电压生成单元与比较单元的连接端，然后在斜坡发生单元和基准电压生成单元分别与比较单元的相应连接端进行连接的情况下，再对目标模拟输入信号进行模数转换，使得本申请的模数转换电路不仅可以对输入的正电压进行模数转换，还可以在不额外增加加法器以及采用精密运放和精密电阻的情况下，对输入的负电压进行模数转换，降低了对负电压进行模数转换的成本，电路结构简单，并且使得模数转换电路的动态范围和信噪比翻倍。

该模数转换方法的具体实现方式可以参照本申请如图1以及图6至图11对应任意实施例中模数转换电路的说明，因此，可以实现本申请如图1以及图6至图11对应任意实施例中模数转换电路所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。

如图13所示，图13是本申请实施例中提供的全差分分段式ADC的一个结构示意图，在上述模数转换电路的基础上，本申请实施例还提供一种全差分分段式ADC，该全差分分段式ADC可以包括如图1以及图6至图11对应任意实施例中的模数转换电路，因此，该全差分分段式ADC的具体实现方式可以参照本申请如图1以及图6至图11对应任意实施例中模数转换电路的说明，可以实现本申请如图1以及图6至图11对应任意实施例中模数转换电路所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

具体实施时，以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

以上对本申请所提供的一种模数转换电路、转换方法及全差分分段式ADC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，以上说明只是用于帮助理解本申请的电路及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，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，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种模数转换电路，其特征在于，包括比较单元、斜坡发生单元、基准电压生成单元以及逻辑控制单元；

所述比较单元，用于比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；

所述逻辑控制单元，用于根据所述目标模拟输入信号与所述参考电压信号的比较结果，确定所述比较单元的第二组输入端中与所述斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定所述第二组输入端中与所述基准电压生成单元连接的第二连接端；

若所述目标模拟输入信号大于所述参考电压信号，则确定所述第二组输入端中与所述斜坡发生单元连接的第一连接端为正相输入端，以及确定所述第二组输入端中与所述基准电压生成单元连接的第二连接端为负相输入端；

若所述目标模拟输入信号小于所述参考电压信号，则确定所述第二组输入端中与所述斜坡发生单元连接的第一连接端为负相输入端，以及确定所述第二组输入端中与所述基准电压生成单元连接的第二连接端为正相输入端；

控制所述斜坡发生单元与所述第一连接端连接，所述基准电压生成单元与所述第二连接端连接；

所述比较单元，还用于在所述斜坡发生单元与所述第一连接端连接以及所述基准电压生成单元与所述第二连接端连接的情况下，对所述目标模拟输入信号进行模数转换。

2.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，在所述逻辑控制单元根据所述目标模拟输入信号与所述参考电压信号的比较结果，确定所述比较单元的第二组输入端中与所述斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定所述第二组输入端中与所述基准电压生成单元连接的第二连接端，之前，所述斜坡发生单元分别与所述第一连接端和所述第二连接端连接，用于向所述第一连接端和所述第二连接端输出相同的电压信号，以得到所述参考电压信号。

3.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述斜坡发生单元用于在粗调判决阶段，输出最大电压信号至所述第一连接端；所述最大电压信号是所述模数转换电路的最大转换电压信号；

所述基准电压生成单元用于在粗调判决阶段，响应于所述逻辑控制单元的第一控制信号，从大到小依次输出等差排列的多个基准电压信号至所述第二连接端；

所述比较单元用于在粗调判决阶段，比较每个粗调判决基准信号与所述目标模拟输入信号；所述粗调判决基准信号是所述最大电压信号与各基准电压信号的差值信号；

所述逻辑控制单元用于根据所述每个粗调判决基准信号与所述目标模拟输入信号的比较结果，确定所述基准电压生成单元输出的目标基准电压信号，以在细调判决阶段控制所述基准电压生成单元输出所述目标基准电压信号。

4.根据权利要求3所述的模数转换电路，其特征在于，当所述目标模拟输入信号大于所述参考电压信号时，所述逻辑控制单元用于在当前粗调判决基准信号大于所述目标模拟输入信号时，确定与所述当前粗调判决基准信号对应的基准电压信号为所述目标基准电压信号；

当所述目标模拟输入信号小于所述参考电压信号时，所述逻辑控制单元用于在当前粗调判决基准信号小于所述目标模拟输入信号时，确定与所述当前粗调判决基准信号对应的基准电压信号为所述目标基准电压信号。

5.根据权利要求3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计数单元；

所述斜坡发生单元用于在细调判决阶段，响应于所述逻辑控制单元的第二控制信号，输出斜坡电压信号；所述斜坡电压信号随所述计数单元的计数值的增加而增加；

所述比较单元用于比较所述斜坡电压信号与所述目标模拟输入信号；

所述逻辑控制单元用于根据所述斜坡电压信号与所述目标模拟输入信号的比较结果，判断是否获取所述计数单元的当前计数值。

6.根据权利要求5所述的模数转换电路，其特征在于，当所述目标模拟输入信号大于所述参考电压信号时，所述逻辑控制单元用于在所述斜坡电压信号大于所述目标模拟输入信号时，获取所述计数单元的当前计数值，根据所述当前计数值得到所述目标模拟输入信号对应的数字信号；

当所述目标模拟输入信号小于所述参考电压信号时，所述逻辑控制单元用于在所述斜坡电压信号小于所述目标模拟输入信号时，获取所述计数单元的当前计数值，根据所述当前计数值得到所述目标模拟输入信号对应的数字信号。

7.根据权利要求1-6任一项所述的模数转换电路，其特征在于，所述斜坡发生单元包括多个第一电阻串联而成的第一电阻串和多个第二电阻串联而成的第二电阻串，所述第一电阻串与所述第二电阻串串联，且所述第二电阻串与所述多个第一电阻均分所述模数转换电路的最大转换电压；

所述第二电阻串还并联有由多个第三电阻串联而成的第三电阻串，所述第三电阻串均分为与第二电阻数量相等的多个第三子串，各第三子串分别与对应的第二电阻并联，且各第三电阻分别通过选通开关与所述第一连接端连接。

8.一种模数转换方法，其特征在于，所述方法用于对输入权利要求1-7任一项所述的模数转换电路的目标模拟输入信号进行模数转换，所述方法包括：

比较目标模拟输入信号与预设的参考电压信号；

根据所述目标模拟输入信号与所述参考电压信号的比较结果，确定所述模数转换电路的比较单元的第二组输入端中与所述模数转换电路的斜坡发生单元连接的第一连接端，以及确定所述第二组输入端中与所述模数转换电路的基准电压生成单元连接的第二连接端；

若所述目标模拟输入信号大于所述参考电压信号，则确定所述第二组输入端中与所述斜坡发生单元连接的第一连接端为正相输入端，以及确定所述第二组输入端中与所述基准电压生成单元连接的第二连接端为负相输入端；

若所述目标模拟输入信号小于所述参考电压信号，则确定所述第二组输入端中与所述斜坡发生单元连接的第一连接端为负相输入端，以及确定所述第二组输入端中与所述基准电压生成单元连接的第二连接端为正相输入端；

控制所述斜坡发生单元与所述第一连接端连接，所述基准电压生成单元与所述第二连接端连接；

在所述斜坡发生单元与所述第一连接端连接以及所述基准电压生成单元与所述第二连接端连接的情况下，对所述目标模拟输入信号进行模数转换。

9.一种全差分分段式ADC，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的模数转换电路。

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