[發(fā)明專利]一種基于TDC的兩步式逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210358251.1
• 申請(qǐng)日: 2022-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN114448439B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于奇;張?zhí)熨n;劉迎晨;張藝馨;李靖;寧寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H03M1/46
• 分類號(hào): H03M1/46
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發(fā)明屬于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于TDC的兩步式逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明采用時(shí)序重疊的VTC和TDC，提高了量化速率；對(duì)TDC量化后的時(shí)間殘差進(jìn)行放大并再次量化，在幾乎不增犧牲其他性能的前提下提高了一位精度。本發(fā)明對(duì)比傳統(tǒng)的基于TDC的兩步式逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以增加兩個(gè)延時(shí)單元的方式實(shí)現(xiàn)了0.5LSB的精度，增加了ADC精度，同時(shí)并合并了VTC和TDC的時(shí)序，在不提高硬件要求的條件下，有效提高了ADC的速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于TDC的兩步式逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)

逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）憑借著其較低的功耗以及較小的芯片面積，成為中等分辨率以及中等帶寬ADC研究中的熱門。然而，由于量化過(guò)程需要逐次進(jìn)行，因此速度難以提升，同時(shí)隨著分辨率的提高，比較器的功耗呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）能夠不依賴比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的量化，將TDC和SAR ADC通過(guò)電壓時(shí)間轉(zhuǎn)換器（VTC）結(jié)合起來(lái)的的兩步式數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠放松對(duì)比較器性能的要求并實(shí)現(xiàn)流水線量化。

然而傳統(tǒng)基于TDC的兩步式SAR ADC在SAR ADC完成量化后，VTC需要占用一定時(shí)間先將殘差信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)，才能用TDC進(jìn)行量化，限制了該結(jié)構(gòu)的速度提升。另外，由于VTC和TDC之間存在的增益失配，將導(dǎo)致非線性，限制ADC的動(dòng)態(tài)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在問(wèn)題或不足，為解決現(xiàn)有兩步式SAR ADC存在量化速率和動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于TDC的兩步式逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

一種基于TDC的兩步式逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示（只畫出正端，負(fù)端與正端結(jié)構(gòu)相同），包括：DAC電容陣列、比較器1、SAR邏輯、殘差放大器、TDC模塊和碼值重組邏輯。

所述DAC電容陣列包括兩組M位二進(jìn)制開關(guān)電容和Dummy電容C_t，M表示SAR量化位數(shù)與電容位數(shù)相同，按權(quán)重由低到高依次給M個(gè)電容編號(hào)為C₁、C₂、……、C_M；DAC電容陣列中的各電容上極板均連接共模電壓Vcm，各電容的下極板通過(guò)開關(guān)陣列分別連接輸入信號(hào)V_i、參考高電壓Vref和參考低電壓GND；共模電壓Vcm的電壓值為參考高電壓Vref的電壓值的一半。

所述比較器1由時(shí)鐘CK_C控制，用以產(chǎn)生M位SAR量化碼；其正負(fù)輸入端分別接正負(fù)DAC電容陣列，輸出端接SAR邏輯。

所述SAR邏輯，根據(jù)比較器1輸出結(jié)果切換DAC電容陣列下極板開關(guān)，實(shí)現(xiàn)SAR量化。同時(shí)儲(chǔ)存M位SAR量化碼用于碼值重組。

所述殘差放大器由時(shí)鐘CK_A控制，提供穩(wěn)定的增益，其輸入端連接DAC電容陣列，輸出端連接殘差電容Cr，將DAC量化殘差電壓放大后保存在電容Cr上。

所述TDC模塊包含電流源、延時(shí)鏈、TDC邏輯和比較器2，實(shí)現(xiàn)N+1位的TDC量化輸出，N表示TDC的初步量化位數(shù)。其中，電流源由時(shí)鐘CK_D控制，連接殘差電容實(shí)現(xiàn)電壓域到時(shí)域的轉(zhuǎn)換；延時(shí)鏈也由時(shí)鐘CK_D控制，由2^N+3個(gè)延時(shí)單元串聯(lián)組成，產(chǎn)生方波信號(hào)控制比較器2輸出2^N+3個(gè)TDC量化碼，TDC量化碼是溫度計(jì)碼，后續(xù)需要轉(zhuǎn)換成N+1位二進(jìn)制碼。TDC邏輯則儲(chǔ)存TDC量化碼用于碼值重組，同時(shí)根據(jù)碼值變化產(chǎn)生信號(hào)CK_TL控制電流源切換。

所述碼值重組邏輯，在TDC模塊量化完成后，將M位SAR量化碼值和2^N+3位TDC量化碼值重新組合成M+N+1位二進(jìn)制碼。