本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital?converter,adc)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口的關(guān)鍵部件，在消費(fèi)電子、工業(yè)電子等應(yīng)用中有著重要的作用。過(guò)采樣adc是高精度應(yīng)用中常用的一種adc架構(gòu)。如圖1所示，過(guò)采樣adc通常由adc核心和數(shù)字濾波器構(gòu)成，數(shù)字濾波器對(duì)adc核心轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字碼進(jìn)行濾波處理，以實(shí)現(xiàn)提高精度等作用。

2、在理想情況下，adc的輸出等于輸入信號(hào)，即dout＝vin。然而由于adc核心的非理想性，在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)引入多種誤差，如失調(diào)電壓、噪聲、量化誤差等?？捎霉奖磉_(dá)為：

3、dout＝vin+vos+vn+q

4、其中，dout為數(shù)字輸出信號(hào)，vin為模擬輸入信號(hào)，vos為失調(diào)電壓，vn為噪聲，q為量化誤差。一種常見的過(guò)采樣adc是δσ(sigma-delta)調(diào)制器。但傳統(tǒng)的高精度δσ調(diào)制器的功耗較高，需要使用低功耗技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。zoom?adc(縮放型adc)在δσ調(diào)制器的基礎(chǔ)上結(jié)合了sar?adc(successive?approximation?register?adc，逐次逼近寄存器型adc)的優(yōu)點(diǎn)，擁有高精度、低功耗、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的應(yīng)用前景，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

5、zoom?adc的轉(zhuǎn)換步驟分為粗量化和精細(xì)量化，輸入信號(hào)進(jìn)入zoom?adc，首先進(jìn)行粗量化。由粗量化結(jié)果決定精細(xì)量化的參考基準(zhǔn)電壓范圍(vrefn、vrefp)。δσ調(diào)制器用得到的vref作為參考基準(zhǔn)電壓處理信號(hào)，完成整個(gè)zoom?adc量化。

6、參考基準(zhǔn)電壓與輸入信號(hào)的差值是δσ調(diào)制器中積分器的輸入。zoom?adc通過(guò)粗量化為δσ調(diào)制器選擇參考基準(zhǔn)電壓縮小vrefp與vrefn之間的范圍，降低了δσ調(diào)制器中積分器的輸入信號(hào)范圍，因此積分器可以使用更大的增益系數(shù)。但由于sar?adc的非理想因素，例如電容或者比較器的噪聲和失調(diào)電壓，粗量化選擇的參考電壓偏離輸入信號(hào)，如圖4所示，導(dǎo)致δσ調(diào)制器超量程，從而降低系統(tǒng)精度。

7、為了解決這個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)方法被提出，一是降低sar?adc的分辨率，二是over-ranging(擴(kuò)大量程)。參考文獻(xiàn)“y.chae,k.souri?and?k.a.a.makinwa,"a6.3μw?20bincremental?zoom-adc?with?6ppm?inl?and?1μv?offset,"2013ieee?internationalsolid-state?circuits?conference?digest?of?technical?papers,san?francisco,ca,usa,2013,pp.276-277”“b.f.sebastiano,r.van?veldhoven?and?k.a.a.makinwa,"a1.65mw?0.16mm2?dynamic?zoom-adc?with?107.5db?dr?in?20khz?bw,"2016ieeeinternational?solid-state?circuits?conference(isscc),san?francisco,ca,usa,2016,pp.282-283”“e.eland,s.karmakar,b.r.van?veldhoven?and?k.makinwa,"a440μw,109.8db?dr,106.5db?sndr?discrete-time?zoom?adc?with?a?20khz?bw,"2020ieee?symposium?on?vlsi?circuits,honolulu,hi,usa,2020,pp.1-2”“y.liu?etal.,"a?4.96μw?15b?self-timed?dynamic-amplifier-based?incremental?zoom?adc,"2022ieee?international?solid-state?circuits?conference(isscc),san?francisco,ca,usa,2022,pp.170-172”都使用了第一種方法，sar?adc的分辨率只有5位或者6位，較低的分辨率讓粗量化選擇的vrefp與vrefn之間的范圍較大。即使因?yàn)榉抢硐胍蛩赜绊懘至炕x擇參考基準(zhǔn)電壓，也能夠使輸入信號(hào)被包含在vrefp與vrefn范圍內(nèi)，保證δσ調(diào)制器的正常工作。zoom?adc的分辨率取決于量化區(qū)間[vrefp,vrefn]的范圍大小，以及調(diào)制器的階數(shù)和過(guò)采樣率，較低的sar?adc分辨率會(huì)降低精度，要達(dá)到同樣的精度要更高的osr(oversamplingratio，過(guò)采樣率)，導(dǎo)致積分器的帶寬要求增大，同時(shí)增加adc的功耗。上述四篇參考文獻(xiàn)也提到了擴(kuò)大量程的方法，方法如圖5所示。

8、引入超量程因子m，讓粗量化選擇的參考電壓擴(kuò)大范圍，由(vrefp-vrefn)擴(kuò)大到m*(vrefp-vrefn)，使信號(hào)能夠被包含在選擇的參考電壓的范圍內(nèi)，擴(kuò)大后參考基準(zhǔn)電壓變?yōu)椋?/p>

9、vrefp＝(k+m+1)·vlsb

10、vrefn＝(k-m)·vlsb

11、粗量化選擇的參考基準(zhǔn)電壓范圍擴(kuò)大放寬了對(duì)sar?adc的精度要求，提高了系統(tǒng)的魯棒性。但是，由于sar?adc的轉(zhuǎn)換速度有限，在粗量化選擇δσ調(diào)制器參考基準(zhǔn)電壓期間，輸入信號(hào)仍在變化，可能移出選擇的參考基準(zhǔn)電壓范圍，使得δσ調(diào)制器無(wú)法正常工作。擴(kuò)大量程增加了δσ調(diào)制器中積分器的輸入范圍。積分環(huán)路因?yàn)楦蟮妮斎雽?dǎo)致不穩(wěn)定，同時(shí)也對(duì)積分器的線性度提出了更高的要求。

12、zoom?adc結(jié)合了δσ調(diào)制器和sar?adc的優(yōu)點(diǎn)，具有高精度、低功耗、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。但是由于sar?adc的噪聲和失調(diào)電壓等非理想因素，導(dǎo)致精細(xì)量化期間的輸入信號(hào)超量程，zoom?adc的精度受到抑制。為了解決這一問(wèn)題，一種方式是降低sar?adc的精度，但是δσ調(diào)制器需要的osr更高，對(duì)積分器的帶寬要求更高。另外一種方式是增大δσ調(diào)制器參考基準(zhǔn)電壓范圍，但使得δσ調(diào)制器的積分器的輸出信號(hào)擺幅增大，線性度要求提高，設(shè)計(jì)難度增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc，通過(guò)將lsb(least?significant?bit，最低有效位)重復(fù)比較后的數(shù)字碼字累加后反饋到跟蹤電容陣列上，解決zoom?adc的超量程誤差問(wèn)題。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案之一為：一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc，粗量化adc電容陣列、跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊；zoom?adc一個(gè)完整的工作周期依次包括三個(gè)部分：采樣、粗量化轉(zhuǎn)換周期、自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期；

3、在采樣期間，粗量化adc電容陣列對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；

4、在粗量化轉(zhuǎn)換周期，粗量化adc電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯參與粗量化過(guò)程；比較器對(duì)粗量化adc電容陣列的上極板電平進(jìn)行量化后，通過(guò)數(shù)字邏輯模塊寄存并傳輸給粗量化adc電容陣列的下極板，生成下一個(gè)粗量化過(guò)程的殘差電壓；該粗量化過(guò)程進(jìn)行m次，m為粗量化位數(shù)；

5、在自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期，zoom?adc采用自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換，該周期包括osr次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊參與每一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；跟蹤電容陣列上極板的電平在積分器上積分后，通過(guò)比較器量化，再通過(guò)數(shù)字邏輯模塊寄存得到數(shù)字碼dt，通過(guò)對(duì)dt的數(shù)字域積分后，將該值傳遞給跟蹤電容陣列的下極板，在上極板生成新的殘差電壓參與下一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；

6、粗量化得到的數(shù)字碼字與自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換數(shù)字碼字dt進(jìn)行對(duì)齊與重組，最終得到zoom?adc的數(shù)字輸出。

7、本發(fā)明采用的技術(shù)方案之二為：一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc，包括：粗量化adc電容陣列、跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊；zoom?adc一個(gè)完整的工作周期依次包括三個(gè)部分：采樣、粗量化轉(zhuǎn)換周期、自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期；

8、在采樣期間，粗量化adc電容陣列對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；

9、在粗量化轉(zhuǎn)換周期，粗量化adc電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯參與粗量化過(guò)程；比較器對(duì)粗量化adc電容陣列的上極板電平進(jìn)行量化后，通過(guò)數(shù)字邏輯寄存并傳輸給粗量化adc電容陣列的下極板，生成下一個(gè)粗量化過(guò)程的殘差電壓；該粗量化過(guò)程進(jìn)行m次，m為粗量化位數(shù)；

10、在自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期，zoom?adc采用自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換，該周期包括osr次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；跟蹤電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯參與每一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；跟蹤電容陣列上極板的電平在積分器上積分后，通過(guò)比較器量化，再通過(guò)數(shù)字邏輯模塊寄存得到數(shù)字碼dt，通過(guò)對(duì)dt累加處理轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)，將該二進(jìn)制信號(hào)傳遞給跟蹤電容陣列的下極板，在上極板生成新的殘差電壓參與下一次精量化轉(zhuǎn)換；

11、粗量化得到的數(shù)字碼字與自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換數(shù)字碼字dt進(jìn)行對(duì)齊與重組，最終得到zoom?adc的數(shù)字輸出。

12、本發(fā)明采用的技術(shù)方案之三為：一種采用自適應(yīng)跟蹤的zoom?adc，包括：電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊；zoom?adc一個(gè)完整的工作周期依次包括三個(gè)部分：采樣、粗量化轉(zhuǎn)換周期、自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期；

13、在采樣期間，電容陣列對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；

14、在粗量化轉(zhuǎn)換周期，電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯模塊參與粗量化過(guò)程；比較器對(duì)電容陣列的上極板電平進(jìn)行量化后，通過(guò)數(shù)字邏輯模塊寄存并傳輸給粗量化電容陣列的下極板，生成下一個(gè)粗量化過(guò)程的殘差電壓；該過(guò)程進(jìn)行m次，m為粗量化位數(shù)；

15、在自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換周期，zoom?adc采用自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換，該周期包括osr次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；電容陣列、積分器、比較器以及數(shù)字邏輯模塊參與每一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；電容陣列上極板的電平在積分器上積分后，通過(guò)比較器量化，再通過(guò)數(shù)字邏輯模塊寄存得到數(shù)字碼dt，通過(guò)對(duì)dt與粗量化碼字在數(shù)字域進(jìn)行加法處理，將該值傳遞給電容陣列的下極板，在上極板生成新的殘差電壓參與下一次自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換過(guò)程；

16、粗量化得到的數(shù)字碼字與自適應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)換數(shù)字碼字dt進(jìn)行對(duì)齊與重組，最終得到zoom?adc的數(shù)字輸出。

17、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出的zoom?adc，通過(guò)增加跟蹤電容陣列，對(duì)sar?adc量化后的lsb位重復(fù)比較后的數(shù)字碼進(jìn)行積分并反饋到跟蹤電容陣列上，能夠自適應(yīng)跟蹤信號(hào)，解決了傳統(tǒng)zoom?adc容易過(guò)載的問(wèn)題，增加了sar?adc的有效位數(shù)，在同樣的能量消耗情況下，能夠得到更高精度。

18、本發(fā)明提出的自適應(yīng)跟蹤技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)施例，能夠有效解決傳統(tǒng)zoom?adc精細(xì)轉(zhuǎn)換期間的超量程誤差問(wèn)題，增加了sar?adc的有效位數(shù)，提高了zoom?adc的精度且電路復(fù)雜度低，降低成本。