本发明专利技术公开一种逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法，根据神经信号的幅值特性分析，确定了在信号非活跃期间，其幅值大部分可以落在16LSB的窗口内，因此通过设置这个判断窗口可以屏蔽信号非活跃期间SAR ADC的高位冗余转换；在信号活跃时，其幅值变化超过16LSB，ADC从高位开始转换，克服了输入追踪SAR ADC结构需要限制输入信号幅度的问题。本发明专利技术设计的增量采样SAR ADC为全差分结构，可以有效抑制共模干扰，抑制偶次谐波，提高ADC转换的精度，克服了单端结构共模扰动大、偶次谐波噪声明显的问题。同时，相比于单端增量采样结构，全差分结构的信号转换范围也扩大了一倍，有效地拓宽了输入信号的范围。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】逐次逼近型模数转换器的全差分増量采样方法
本专利技术涉及模数转换器
，特别涉及一种逐次逼近型模数转换器的全差分 增量采样方法。 【
技术介绍
】 低功耗电路一直是神经信号传感器和无线传感网络等电路设计的重点。由于SAR ADC(successiveapproximationA/Dconverter，逐次逼近式模数转换器）具有简单的结 构和较少的模拟模块，可以实现极低的功耗，因此特别适合于低功耗的电路设计。电荷再分 布式SARADC利用2的指数次幂排布的电容阵列DAC，通过不同权重的电容在高低参考电平 间的切换来实现不同的量化电平，并且使这个电平最终趋近于采样信号，得到量化结果。对 于N-bit的SARADC，理论上需要N次电容切换才能得到转换结果。 神经电信号以及传感网络中的待检测信号通常为脉冲信号，大部分时间信号变化 较为缓慢，幅度变化不大，只有在脉冲到来时幅度才有较大改变。当信号幅度变化缓慢时， 在采样率不变的情况下相邻两次采样的采样值变化较小，ADC转换的高位结果是相同的， 如图1。DAC电容的切换功耗在SARADC总功耗中占有较大比重，基于共模电平恢复结构 (Vcm-based)SARADC每一步电容切换的平均功耗表达式为： 其中n为转换精度，C为单位电容，Vraf为电容切换的参考电平。Ei代表第i步电 容切换的平均功耗，如i=l，Ei代表第一步（即MSB)电容切换的平均功耗，可以看到高位 电容的切换功耗与低位电容的切换功耗相比成指数增加。图1中所示的高位转换冗余将带来较大的能量浪费。对于脉冲信号检测应用的 SARADC，解决高位转换冗余问题对于低功耗设计具有重要意义。 针对这个问题，一种输入追踪的SARADC结构被提出来。其每次采样值并不是输 入电压的绝对大小值，而是本次采样和前次转换量化电压的差值。当相邻两次采样变化较 小时，这个差值较小，对这个差值进行量化可以预测到高位的转换结果为"〇"，因此可以屏 蔽高位的转换，将低位的转换结果叠加到前次的量化结果，即可得到本次采样的量化值。例 如文献"Input-trackingDACforlow-powerhigh-linearitySARADC"（B.G.Leeand S.G.Lee,ElectronicsLetters,vol. 47,no. 16,pp. 911-913,Aug. 2011)中通过限制输入信 号的频率，可以实现相邻两次采样差值小于Vref/4,从而屏蔽了MSB和MSB-1位的转换，相 比传统SARADC，电容的平均开关功耗节省了 70%。但是这种方法限制了输入信号频率， 即限制了相邻两次采样电压的变化值，当采样变化量大于Vref/4时，转换将出现错误。因 此该ADC无法处理大幅度突变信号的采样和转换。为了解决突变信号幅度变化大的问题， 可以加入电压判断逻辑，当采样的差值小于一个窗口时，只进行低位转换，当差值大于窗口 时，从高位开始转换。文献"ALowPower10bit500kS/sDelta-ModulatedSARADC(DMSAR ADC)forImplantableMedicalDevices'，(Y.F.Lyu,C.Y.Wu,L.C.Liu,IEEEInternational SymposiumonCircuitsandSystem(ISCAS)，pp. 2046-2049, 2013)利用一组DAC电容存 储前次量化电压，另一组DAC采集当前输入值，实现了单端增量采样的SARADC。通过DAC中特定电容的置位，可以判断采样差值是否在设定的窗口内，并完成后续转换。测量结果显 示，当输入信号为10Hz和7kHz时，该ADC在500kS/s采样率下可以实现66%的功耗缩减。 然而文章中的ADC属于单端采样，不利于抑制共模干扰，同时单端结构的转换范围也较窄。 因此该ADC不适用于共模干扰较大的信号采集系统中。文献"AlObitSARADCWithData-DependentEnergyReductionUsing LSB-FirstSuccessiveApproximation'，（F.M.YaulandA.P.Chandrakasan,IEEEJournal ofSolid-StateCircuits,vol. 49,no. 12,pp. 2825-2834,December2014)提出一种基于 电压预估的逆序转换SARADC，来解决高位转换冗余的问题。在采样结束后用前次量化结果 作为对本次采样值的一个预估电压，并从LSB开始逐步向上进行搜索，判断采样电压范围。 当采样电压范围确定后，DAC再向下逐步转换，得到本次量化结果。这种结构在相邻两次采 样电压不变时，仅用2步即可实现一次转换。然而这种转换逻辑仅在输入信号变化非常缓 慢时具有很高的转换效率，其随着信号幅度增加，转换效率下降很快。 【
技术实现思路
】 本专利技术的目的在于提供一种，以解 决SARADC遇到的高位转换冗余问题以及现有解决方案的不足。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： ，包括以下步骤： 1)当采样控制信号SAMPLE信号为"1"时，进入采样阶段，此时采样开关闭合，电容 阵列上极板跟随输入信号变化；电容阵列下极板从高位到低位根据前次量化结果D 分别接到VDD或者GND油于C。和(^的大小是相同的，当D为1时，P型电容阵列中的C。 接到VeM，N型电容阵列中的C。接到GND;当D为0时，P型电容阵列中的C。接到GND，N 型电容阵列中的C。接到VeM;在采样结束时，电容阵列上极板电荷量表达式为： 其中VIP和VIN为查分采样电压值，CA单端电容阵列的电容总和； 2)采样结束后，进入保持状态，采样开关断开，电容开关控制电容阵列下极板全部 接到VeM，此时电容阵列上极板的电荷量表达式为： Qp=(VP-VCM) ?CT (5) Qn= (Vn-VCM) ?CT (6) 其中VP和V及别为差分电容上极板的电压值。 令（3) (5)和（4) (6)式分别相等，得到在采样结束时电容阵列上极板电压表达 式： 由（7)⑶式相减得到差分采样得到的差值信号为： Vp-Vn= (VIP-VIN)-(V/IP-V/IN) (9) 其中，VIP_VIN为本次差分采样电压值，V'IP_V'INS前次差分采样量化结果值； 3)保持相位结束后判断差分采样增量电压值的符号和大小： 如果增量电压为正，电容开关将卩端(：5电容的下级板接到电容的下级 板接到VDD，此时电容阵列上极板电压差值为： 所述全差分增量采样方法采用全查分采样，采样信号满幅度为2VDD，量化精度为 lObit，因此一个量化台阶（LSB)为VDD/512 ;如果比较器的比较结果为"1"，表示正的增量电 压值大于1/32VDD，S卩16LSB，超出了低4位的编码范围，下一步从最高位C9电容开始转换： 将C5电容的下级板接回VeM，P端的C9电容的下级板接到GND，N端的C9电容的下级板接到 VDD，比较器判断正的增量电压值是否大于1/2VDD，如果大于1/2VDD则P端的C当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
逐次逼近型模数转换器的全差分增量采样方法，其特征在于，包括以下步骤：1)当采样控制信号SAMPLE信号为“1”时，进入采样阶段，此时采样开关闭合，电容阵列上极板跟随输入信号变化；电容阵列下极板从高位到低位根据前次量化结果D[9:1]分别接到VDD或者GND；当D[0]为1时，P型电容阵列中的C0接到VCM，N型电容阵列中的C0接到GND；当D[0]为0时，P型电容阵列中的C0接到GND，N型电容阵列中的C0接到VCM；在采样结束时，电容阵列上极板电荷量表达式为：Qp=VIP·CT-(Σi=19(D[i]·2i-1C0)·VDD+D[0]·C0·VDD2)---(3)]]>Qn=VIN·CT-(Σi=19(D[i]‾·2i-1C0)·VDD+D[0]‾·C0·VDD2)---(4)]]>其中CT为单端电容阵列的和；2)采样结束后，进入保持状态，采样开关断开，电容开关控制电容阵列下极板全部接到VCM，此时电容阵列上极板的电荷量表达式为：Qp＝(Vp‑VCM)·CT （5）Qn＝(Vn‑VCM)·CT （6）令（3）（5）和（4）（6）式分别相等，得到在采样结束时电容阵列上极板电压表达式：Vp=VIP-(Σi=19D[i]·2i-1C0CT·VDD+D[0]·C0CT·VDD2)+VCM=VIP-VIP′+VCM---(7)]]>Vn=VIN-(Σi=19D[i]‾·2i-1C0CT·VDD+D[0]‾·C0CT·VDD2)+VCM=VIN-VIN′+VCM---(8)]]>由（7）（8）式相减得到差分采样得到的差值信号为：Vp‑Vn＝(VIP‑VIN)‑(V′IP‑V′IN) （9）其中，VIP‑VIN为本次差分采样电压值，V′IP‑V′IN为前次差分采样量化结果值；3)保持相位结束后判断差分采样增量电压值的符号和大小：如果增量电压为正，电容开关将P端C5电容的下级板接到GND，N端C5电容的下级板接到VDD，此时电容阵列上极板电压差值为：Vp-Vn=(VIP-VIN)-(VIP′-VIN′)-132VDD---(10)]]>所述全差分增量采样方法采用全查分采样，采样信号满幅度为2VDD，量化精度为10bit，因此一个量化台阶（LSB）为VDD/512；如果比较器的比较结果为“1”，表示正的增量电压值大于1/32VDD，即16LSB，超出了低4位的编码范围，下一步从最高位C9电容开始转换：将C5电容的下级板接回VCM，P端的C9电容的下级板接到GND，N端的C9电容的下级板接到VDD，比较器判断正的增量电压值是否大于1/2VDD，如果大于1/2VDD则P端的C8下极板从VCM接到GND且N端的C8下极板从VCM接到VDD，判断增量电压值是否大于3/4VDD，反之如果小于1/2VDD则P端的C8下极板从VCM接到VDD且N端的C8下极板从VCM接到GND，判断增量电压值是否大于1/4VDD，后续转换原理同上直到所有位数转换完成；如果比较结果为“0”，表示正的增量电压小于1/32VDD，直接进行下一步C4电容的转换：将P端的C4电容的下级板接到VDD，N端的C4电容的下级板接到GND，判断正的增量电压是否大于1/64VDD，如果大于1/64VDD则P端的C3下极板从VCM接到GND且N端的C3下极板从VCM接到VDD，判断增量电压是否大于3/128VDD，反之如果小于1/64VDD则P端的C3下极板接到VDD且N端的C3下极板接到GND，判断增量电压是否大于1/128VDD，后续转换原理同上直到所有位数转换完成；如果增量电压为负值，将P端C5电容的下级板接到VDD，N端C5电容的下级板接到GND；如果比较结果为“0”，表示负的增量电压值大于1/32VDD，下一步需要从C9电容开始转换，如果比较结果为“1”，表示负的增量电压值小于1/32VDD，屏蔽高4位的转换，下一步从C4电容进行转换，直到转换结束；4)步骤3)中正的增量电压的转换编码值通过10位加法器加到前次...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：耿莉，宋焱，薛仲明，范世全，张珏颖，谢毅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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