本發(fā)明屬于模數(shù)轉(zhuǎn)換，具體涉及一種具有觸發(fā)采樣和殘差量化的電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital?converter，adc)是連接模擬世界與數(shù)字世界的橋梁，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中起著不可或缺的作用。在現(xiàn)實(shí)世界中，數(shù)據(jù)與信號(hào)通常以模擬形式存在，如聲音、光信號(hào)、溫度等，然而數(shù)字系統(tǒng)只能處理離散的數(shù)字信號(hào)，因此需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器將連續(xù)變化的模擬信號(hào)數(shù)字化，以便進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和傳輸。

2、隨著人們對(duì)健康的日益關(guān)注，可穿戴醫(yī)療設(shè)備正逐漸成為熱門話題；可穿戴醫(yī)療設(shè)備通過監(jiān)測患者日常生活中的各項(xiàng)身體指標(biāo)，為醫(yī)生提供更加全面的數(shù)據(jù)支持，從而定制更精準(zhǔn)的治療方案，這類設(shè)備通常依賴電池供電，對(duì)于這種能量受限領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是影響設(shè)備性能的關(guān)鍵模塊?？紤]其高準(zhǔn)確性，可穿戴和可持續(xù)記錄的特點(diǎn)，它不僅需要低功耗來延長電池的使用壽命，并避免設(shè)備過熱造成人體組織損傷，還需要足夠的精度確保生物電勢信號(hào)的準(zhǔn)確采集。

3、為了實(shí)現(xiàn)低功耗和高精度的性能需求，許多奈奎斯特模數(shù)轉(zhuǎn)換器和過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)被應(yīng)用于生物電勢信號(hào)的記錄，這些模數(shù)轉(zhuǎn)換器以mhz級(jí)別的高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行均勻采樣和處理；盡管這類時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的均勻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器有高分辨率和高能量效率，但是由于生物電勢信號(hào)的特殊性，往往會(huì)造成功耗浪費(fèi)。生物電勢信號(hào)特別是心電信號(hào)是一種稀疏信號(hào)，它們通常表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)快速變化，隨后是長時(shí)間的不活躍；在記錄此類信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器會(huì)在信號(hào)的不活躍期間產(chǎn)生大量采樣點(diǎn)，導(dǎo)致信息密度低并造成不必要功耗。

4、為了避免信號(hào)不活躍期間的功耗浪費(fèi)，電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)被提出并用于稀疏信號(hào)的采集。與時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的均勻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器不同，電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種事件驅(qū)動(dòng)的非均勻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它比較輸入信號(hào)的幅值與預(yù)先設(shè)定的電壓，每當(dāng)輸入信號(hào)跨越預(yù)定義電壓時(shí)，輸出被跨越電壓值和跨越該電壓的時(shí)間，通過對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行插值來重構(gòu)輸入信號(hào)。事件驅(qū)動(dòng)型的工作模式充分利用了生物電勢信號(hào)的稀疏性，輸出點(diǎn)集中在信號(hào)活躍期間，大大降低了非活躍期的功耗。

5、然而，電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)面臨挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用連續(xù)時(shí)間比較器監(jiān)測輸入信號(hào)，但是由于其傳播延遲與輸入信號(hào)相關(guān)，會(huì)因輸入信號(hào)不同而變化，從而引入了信號(hào)相關(guān)延遲；在重構(gòu)輸入信號(hào)時(shí)，這種信號(hào)相關(guān)延遲會(huì)導(dǎo)致顯著的失真，嚴(yán)重的限制了系統(tǒng)的精度。在所有已經(jīng)報(bào)道的電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，在包含三次諧波的情況下，實(shí)現(xiàn)的最高的sndr(signal?noise?distortion?rate，信噪失真比)僅為64db。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述，本發(fā)明提供了一種具有觸發(fā)采樣和殘差量化的電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠精確捕獲傳統(tǒng)電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的信號(hào)相關(guān)誤差，并利用流水線型的工作模式將該誤差轉(zhuǎn)換為更小的非信號(hào)相關(guān)誤差，提升了電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)。

2、一種具有觸發(fā)采樣和殘差量化的電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：

3、電平跨越檢測電路，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將輸入信號(hào)幅值與預(yù)設(shè)的電壓閾值進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號(hào)跨越電壓閾值時(shí)產(chǎn)生標(biāo)志電平跨越發(fā)生的觸發(fā)信號(hào)，并輸出被跨越電平值的數(shù)字碼即第一級(jí)數(shù)字碼；

4、殘差電壓捕獲電路，在觸發(fā)信號(hào)的使能下對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并根據(jù)第一級(jí)數(shù)字碼產(chǎn)生殘差電壓，該殘差電壓為輸入信號(hào)采樣結(jié)束時(shí)刻的幅值與被跨越電平值之差；

5、殘差放大電路，用于對(duì)所述殘差電壓進(jìn)行放大；

6、子模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于對(duì)放大后的殘差電壓進(jìn)一步量化，通過采樣和逐次逼近操作生成第二級(jí)數(shù)字碼。

7、進(jìn)一步地，所述電平跨越檢測電路為雙端差分結(jié)構(gòu)，對(duì)于任一端結(jié)構(gòu)，其包括電容式交流耦合輸入網(wǎng)絡(luò)、2個(gè)連續(xù)時(shí)間比較器cmp1~cmp2、移位寄存器以及電平跨越監(jiān)測邏輯電路，其中：

8、所述電容式交流耦合輸入網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)輸入電容以及n個(gè)反饋電容，?輸入電容的下極板接輸入信號(hào)，輸入電容的上極板與反饋電容的上極板、cmp1的正相輸入端以及cmp2的正相輸入端相連，反饋電容的下極板接參考電壓vrefn或vrefp，cmp2的反相輸入端接地，vrefn為低電平，vrefp為高電平，n為第一級(jí)數(shù)字碼的位數(shù)(人為設(shè)定)；

9、所述電平跨越監(jiān)測邏輯電路用于監(jiān)測cmp1和cmp2的輸出，根據(jù)cmp2的輸出電平控制cmp1的反相輸入端接參考電壓vl或vh，當(dāng)cmp1的輸出電平改變時(shí)，電平跨越監(jiān)測邏輯電路產(chǎn)生標(biāo)志電平跨越發(fā)生的觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)若cmp2輸出電平為1，則控制移位寄存器向左移位；若cmp2輸出電平為0，則控制移位寄存器向右移位；vh比共模電壓高一個(gè)lsb(leastsignificant?bit，最低有效位，為預(yù)先設(shè)置的電壓窗大小)，vl比共模電壓低一個(gè)lsb；

10、所述移位寄存器由n個(gè)d觸發(fā)器組成，這些d觸發(fā)器的輸出即對(duì)應(yīng)n位的第一級(jí)數(shù)字碼d1~dn，其中d1~dn/2初始值設(shè)置為0，其余數(shù)字碼初始值設(shè)置為1；當(dāng)移位寄存器向左移位時(shí)dn補(bǔ)1，向右移位時(shí)d1補(bǔ)0；d1~dn分別控制n個(gè)反饋電容，當(dāng)di為0時(shí)，對(duì)應(yīng)反饋電容的下極板接vrefp；當(dāng)di為1時(shí)，對(duì)應(yīng)反饋電容的下極板接vrefn，d1~dn即代表被跨越電平值的數(shù)字碼，i為自然數(shù)且1≤i≤n。

11、進(jìn)一步地，所述殘差電壓捕獲電路為雙端差分結(jié)構(gòu)，對(duì)于任一端結(jié)構(gòu)，其由電容陣列和控制電路組成，電容陣列的電容數(shù)量為第一級(jí)數(shù)字碼的位數(shù)；在檢測階段，控制電路使電容陣列的上下極板均懸空；在采樣階段，控制電路使電容陣列上極板與共模電壓相連，下極板接輸入信號(hào)；在預(yù)切換階段，控制電路使電容陣列上極板接輸入信號(hào)，下極板與共模電壓相連；在殘差電壓產(chǎn)生階段，控制電路使電容陣列中各電容的下極板接參考電壓vrefn或vrefp，電容陣列的上極板生成殘差電壓。

12、進(jìn)一步地，所述控制電路根據(jù)第一級(jí)數(shù)字碼控制電容陣列中的電容，當(dāng)?shù)趇位數(shù)字碼為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的電容下極板接vrefp；當(dāng)?shù)趇位數(shù)字碼為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的電容下極板接vrefn，i為自然數(shù)且1≤i≤n，n為第一級(jí)數(shù)字碼的位數(shù)。

13、進(jìn)一步地，所述殘差電壓的大小等于vin+σ(d1,i×vrefp-vcm)，其中vin為輸入信號(hào)，vcm為共模電壓，d1,i為第一級(jí)的第i位數(shù)字碼。

14、進(jìn)一步地，所述殘差放大電路包括兩級(jí)的fia(floating?inverter?amplifier，浮動(dòng)反相放大器)、六個(gè)開關(guān)s1~s6以及四個(gè)電容cf1、cf2、cl1、cl2，其中s1的一端接反相殘差電壓，s1的另一端與s5的一端、cf1的一端以及fia的反相輸入端相連，s2的一端接正相殘差電壓，s2的另一端與s3的一端、cf2的一端以及fia的正相輸入端相連，s5的另一端與cf1的另一端、s6的一端、cl1的一端以及fia的正相輸出端相連，s3的另一端與cf2的另一端、s4的一端、cl2的一端以及fia的反相輸出端相連，s4的另一端與s6的另一端、cl1的另一端以及cl2的另一端相連并接共模電壓。

15、進(jìn)一步地，所述fia包括12個(gè)開關(guān)t1~t12、四個(gè)pmos管m1~m4、四個(gè)nmos管m5~m8以及三個(gè)電容cres1~cres3，其中t1的一端與t2的一端相連并接電源電壓vdd，t1的另一端與t3的一端以及cres3的一端相連，t3的另一端與t2的另一端、t4的一端以及cres1的一端相連，cres3的另一端與t5的一端以及t6的一端相連，t5的另一端與cres1的另一端、t7的一端以及t8的一端相連，t6的另一端與t7的另一端相連并接地，t4的另一端與m1的源極以及m2的源極相連，m1的柵極與m5的柵極相連并作為fia的正相輸入端，m2的柵極與m6的柵極相連并作為fia的反相輸入端，m1的漏極與m5的漏極、m3的柵極以及m7的柵極相連，m2的漏極與m6的漏極、m4的柵極以及m8的柵極相連，m5的源極與m6的源極以及t8的另一端相連，t9的一端接電源電壓vdd，t9的另一端與t10的一端以及cres2的一端相連，cres2的另一端與t11的一端以及t12的一端相連，t11的另一端接地，t10的另一端與m3的源極以及m4的源極相連，m3的漏極與m7的漏極相連并作為fia的正相輸出端，m4的漏極與m8的漏極相連并作為fia的反相輸出端，m7的源極與m8的源極以及t12的另一端相連，t4、t8、t10以及t12的開關(guān)時(shí)鐘為φamp1，t3和t5的開關(guān)時(shí)鐘為φamp2，t2、t7、t9以及t11的開關(guān)時(shí)鐘為φamp1的反相時(shí)鐘，t1和t6的開關(guān)時(shí)鐘為φamp2的反相時(shí)鐘。

16、進(jìn)一步地，所述開關(guān)時(shí)鐘φamp2的下降沿與φamp1同步，且φamp2的脈寬為φamp1的1/2。

17、進(jìn)一步地，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用m位的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，m為第二級(jí)數(shù)字碼的位數(shù)(人為設(shè)定)。

18、進(jìn)一步地，所述電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器最終的數(shù)字輸出結(jié)果為：

19、

20、其中：dout為電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器最終的數(shù)字輸出結(jié)果，d1,i為第一級(jí)的第i位數(shù)字碼，d2,j為第二級(jí)的第j位數(shù)字碼，n為第一級(jí)數(shù)字碼的位數(shù)，m為第二級(jí)數(shù)字碼的位數(shù)，g為殘差放大電路的放大倍數(shù)(即殘差電壓捕獲電路中電容陣列單端的總?cè)葜党詂f1的容值)。

21、本發(fā)明通過電平跨域檢測電路監(jiān)測輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)跨過預(yù)設(shè)電平時(shí)，產(chǎn)生跨越信號(hào)和第一級(jí)數(shù)字碼，同時(shí)殘差電壓捕獲電路開始工作，利用被跨越信號(hào)觸發(fā)的采樣操作和第一級(jí)數(shù)字碼的直接反饋精準(zhǔn)捕獲殘差電壓，將捕獲的殘差電壓使用殘差放大電路進(jìn)行放大，隨后再由第二級(jí)子模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)一步量化，產(chǎn)生第二級(jí)數(shù)字碼。

22、本發(fā)明電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過引入觸發(fā)采樣和進(jìn)一步的殘差量化，將傳統(tǒng)電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器中不可避免的信號(hào)相關(guān)誤差轉(zhuǎn)換為更小的非信號(hào)相關(guān)誤差，實(shí)現(xiàn)了在1v電源電壓和20khz帶寬下，包含三次諧波時(shí)，最高sndr為72.5db，這有效解決了電平跨越式模數(shù)轉(zhuǎn)換器高精度設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)；在全頻帶的輸入下，本發(fā)明的功耗為1.2μw~11.8μw，保留了事件驅(qū)動(dòng)的特性。由此，本發(fā)明電平跨越式流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器可為可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，增長電池使用壽命，并確保生物電勢信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。