[發(fā)明專利]一種低驅(qū)動電流需求的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在審

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• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113055015A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設計）人: 李強;高劍峰;周雄
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03M1/34
• 分類號: H03M1/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

在生物醫(yī)療系統(tǒng)中，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采集到的生物電信號進行處理。在速度、精度、面積和功耗等方面綜合考慮，SAR ADC相比于其他結(jié)構的ADC有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)SAR ADC的精度受限于采樣噪聲、比較器噪聲等多方面影響，采用過采樣技術，能夠使其在精度方面表現(xiàn)更加優(yōu)秀。對SAR ADC進行時序上的調(diào)整，還能有效降低ADC對前級電路驅(qū)動能力的要求，更適合在生物醫(yī)療系統(tǒng)中的應用。基于上述優(yōu)點，本發(fā)明提出了一種低驅(qū)動電流需求的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用過采樣技術，有效提高了ADC的精度，結(jié)合特殊的電路時序設計，降低了ADC對前級電路驅(qū)動能力的要求，提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能。

技術領域

本發(fā)明是一種低驅(qū)動電流需求的低功耗逐次逼近型(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有中等精度、低功耗、對前級電路低驅(qū)動能力要求的特點，適合應用于生物醫(yī)療系統(tǒng)當中。

背景技術

近幾年，對生物醫(yī)療系統(tǒng)的需求急劇增加，各種便攜式生物信號采集系統(tǒng)、可穿戴或可植入式生物醫(yī)療設備發(fā)展迅速，不斷融入到人們的生活當中。在生物醫(yī)療系統(tǒng)中，采集到的生物信號在大部分時間都是緩慢變化的信號，因此需要選取適合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采集到的生物電信號進行處理。在速度、精度、面積和功耗等方面綜合考慮，SAR ADC相比于其他結(jié)構ADC有明顯的優(yōu)勢，更加適合應用于生物電信號處理系統(tǒng)中。

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)結(jié)構主要包含四個模塊：采樣保持電路、電容陣列、比較器和控制邏輯。采樣保持電路大多基于柵壓自舉電路設計，能夠?qū)⒉蓸庸軚艠O電壓提升至高于電源電壓，從而降低采樣開關的導通電阻并且能夠?qū)崿F(xiàn)軌到軌的采樣。電容陣列在采樣和保持時作為采樣電容，在量化過程中，通過翻轉(zhuǎn)相應的電容將數(shù)字碼字轉(zhuǎn)換成模擬電壓。比較器用于比較電容陣列上極板電壓大小，得出比較結(jié)果后，控制電容陣列進行翻轉(zhuǎn)。控制邏輯用于產(chǎn)生采樣信號、比較器工作和復位信號、電容陣列翻轉(zhuǎn)信號，保證整個SARADC能夠正常有序工作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種降低ADC對前級電路驅(qū)動能力要求的方法，結(jié)合過采樣技術，提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度并且降低了對輸入信號驅(qū)動能力的要求，解決了模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號高驅(qū)動能力需求的問題。

本發(fā)明提出了一種低驅(qū)動電流需求的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近型架構，整體電路由五個模塊構成：采樣保持電路、電容陣列、比較器、數(shù)字邏輯電路和時鐘電路。

如圖1所示是本發(fā)明的整體電路圖，外部輸入的連續(xù)時間信號通過采樣保持電路轉(zhuǎn)換為離散時間信號，采樣完成后，采樣得到的電壓保持在電容陣列的上極板上，在時鐘信號的控制下，比較器開始比較兩端電容上極板電壓的大小，得到的比較結(jié)果通過邏輯電路產(chǎn)生控制信號，控制電容陣列進行翻轉(zhuǎn)，電容翻轉(zhuǎn)完成后比較器進行下一次比較，重復這個過程直到量化完成。

如圖2所示是本發(fā)明的控制時序圖，整體時序采用異步工作方式。采樣信號下降沿到來時，采樣階段結(jié)束，量化階段開始。在量化階段，采樣信號下降沿觸發(fā)比較器工作信號上升沿產(chǎn)生，比較器開始工作，完成第一次比較，數(shù)字邏輯電路將會鎖存比較器比較結(jié)果，產(chǎn)生控制信號控制電容陣列的相應電容進行翻轉(zhuǎn)。根據(jù)比較結(jié)果，比較器自循環(huán)時鐘電路將會把比較器工作信號拉低，比較器進行復位。在電容陣列完成翻轉(zhuǎn)后，比較器自循環(huán)時鐘電路將會把比較器工作信號拉高，觸發(fā)下一次比較的開始，循環(huán)這個過程直到量化階段結(jié)束。數(shù)字邏輯電路最后一位鎖存完成信號上升沿到來時，表明量化已完成，此時將本次量化得到的數(shù)字碼字存儲在寄存器中，之后進行各個模塊的復位操作。當復位完成后，觸發(fā)采樣信號的上升沿，下一次采樣可以開始，采樣-量化-復位-采樣過程循環(huán)執(zhí)行，即可完成輸入模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

如圖3所示是本發(fā)明的輸入信號和電容陣列上極板電壓變化圖。由于生物信號大部分時間都是緩慢變化的信號，在過采樣條件下，采樣信號頻率遠高于輸入信號頻率，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩次采樣點之間的電壓差變化較小，從而可以在第一次量化結(jié)束時將電容上極板的電壓復位到第一次采樣的電壓上，在第二次采樣開始時，僅需要前級電路提供較小的驅(qū)動電流，就可以實現(xiàn)電容上極板電壓跟隨輸入信號變化。通過這種方式，極大的減小了模數(shù)轉(zhuǎn)換器對前級電路的驅(qū)動能力的要求，更適合應用于生物醫(yī)療系統(tǒng)當中。