[發明專利]一種適應性噪聲成形逐次逼近型數據轉換器

在審

• 申請號: 202111323257.7
• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN114039604A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 陳燁侃;趙博;羅宇軒
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H03M1/46
• 分類號: H03M1/46;H03M1/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發明公開了一種適應性噪聲成形逐次逼近型數據轉換器，包括：開關電容陣列、開關電路、電源門控環路濾波器、比較器、控制邏輯電路以及事件檢測邏輯電路。當未檢測到輸入事件時，本發明數據轉換器工作在常規逐次逼近模式待機，并檢測是否有輸入事件發生，此時，由于環路濾波器處于關斷狀態，數據轉換器消耗能耗較少；當檢測到輸入事件時，本發明數據轉換器工作在噪聲成形逐次逼近模式，從而實現高精度轉換輸入信號。因此，本發明可對稀疏性信號進行動態適應，實現低功耗待機，高精度轉換的優點。

技術領域

本發明屬于CMOS偏置電路技術領域，具體涉及一種適應性噪聲成形逐次逼近型數據轉換器。

背景技術

模數轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)是一種能將模擬信號轉換成數字信號的電子器件，由于自然界中的大部分物理信號以模擬信號的形式存在，而計算機系統擅于高效率處理數字信號，因此為了對物理信號進行高效率處理，模數轉換器必不可少。

模數轉換器根據其轉換機理可以分為不同的類型，其中逐次逼近型(SuccessiveApproximation Register，SAR)ADC是一種低功耗、中等精度的ADC結構。一方面，SAR ADC是一種奈奎斯特采樣率ADC，其采樣率遵從奈奎斯特采樣定律；另一方面，SAR ADC的電路實踐中通常不需要使用任何運算放大器，并可通過單個比較器實現多比特的數字量化，因此其具備較好的能量效率。然而，由于電子器件(如電容器)的失配在高比特模數轉換器中會越發明顯并引入誤差，這使得SAR ADC轉換精度受到了限制。

噪聲成形技術有助于提升ADC的轉換精度，近年來噪聲成形SAR ADC被人們提出以顯著提高SAR ADC的轉換精度。噪聲成形SAR ADC不同于常規的SAR ADC在于兩個特征即過采樣以及噪聲成形，過采樣的特征表現于ADC的采樣頻率高于奈奎斯特采樣率，噪聲成形的特征表現于其利用控制環路，對輸入信號以及量化噪聲進行處理，通過環路濾波器為特定頻段的信號提供增益，提高模數轉換過程中特定頻段內的信噪比。其中，環路濾波器往往具備積分器、濾波器或諧振器等電路，這些電路通常包含有高功耗的運算放大器；此外，現有的噪聲成形SAR ADC均要求每一次轉換過程中都將開啟環路濾波器，并工作在過采樣的條件下，由于環路濾波器以及過采樣都將帶來額外的功耗，因此現有的噪聲成形SAR ADC功耗通常高于常規的SAR ADC。

對于具備稀疏性的模擬輸入信號，可以采用具備事件驅動能力的ADC進行模數信號轉換，以降低模數轉換器的功耗；目前有兩類具備事件驅動能力的ADC，一類為電平觸發ADC，另一類為流水線型ADC。首先，電平觸發ADC僅在輸入電壓變化超過1個最小量化臺階時受到驅動，對輸入信號進行采樣，而在輸入信號不發生改變時，保持低功耗待機狀態，因此電平觸發ADC可在處理稀疏性信號時顯著降低系統功耗。然而，電平觸發ADC的觸發概率會隨其轉換精度的增高而增高，因此該方案僅適用于低轉換精度的系統。流水線型ADC可利用第一級電路的輸出對輸入事件進行判斷，并根據判斷結果決定是否開啟第二級電路進行高精度量化，盡管流水線型ADC可通過多級轉換實現較高的轉換精度，然而該方案要求高增益的級間放大器以確保殘差放大的線性度，這使得其功耗水平下降。

綜上所述，當前的具備事件驅動能力的ADC難以平衡精度與功耗之間的矛盾，雖然現有的SAR ADC具備較低的能耗，然而其轉換精度有限；而另一方面，現有的噪聲成形SARADC具備較高的轉換精度，然而其能耗較高。注意到常規的SAR ADC與噪聲成形SAR ADC架構上有很強的內在聯系，因此提出一種具備事件驅動能力的適應性噪聲成形逐次逼近型數據轉換器，能夠高效率地處理稀疏性信號。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種適應性噪聲成形逐次逼近型數據轉換器，適用于處理稀疏性信號，具有高精度、低能耗的優點。

一種適應性噪聲成形逐次逼近型數據轉換器，包括：

開關電容陣列，利用控制邏輯電路提供的數字控制信號對輸入模擬信號逐次逼近后輸出至開關電路；