逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和傳感信號處理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)，具體涉及一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和 傳感信號處理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在一個通用的傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)中，如圖1所示，傳感器1的輸出信號通過放大 電路2進(jìn)行信號放大，放大后的信號被模數(shù)轉(zhuǎn)換器3(ADC)采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)字信號 被發(fā)送到數(shù)字信號處理器4(DSP)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器3是系統(tǒng)中的重要組件，而逐次 逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器是其中常用的一種類型。模數(shù)轉(zhuǎn)換器3的輸出數(shù)值反映的是輸入電壓與其 參考電壓的比值和極性關(guān)系。
[0003] 由于傳感器的靈敏度存在差異，不同的傳感器在相同的傳感量輸入得到的輸出電 壓并不相等，經(jīng)過相同增益的放大電路放大后，輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器3的輸入電壓也不相等， 也會導(dǎo)致最終輸入到數(shù)字信號處理器4的輸入信號不能正確反映傳感器的檢測值。通常，放 大電路2中會加入增益調(diào)節(jié)電路，使不同靈敏度的傳感器在相同傳感量輸入的情況下得到 相同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓。但是，放大電路2中的增益調(diào)節(jié)往往達(dá)不到精度的要求，需要 進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)。而且，上述傳感器1的輸出信號除有用信號部分外還包含一個不可用的電 壓信號，通常被稱為零漂電壓。零漂電壓也會被放大電路2放大并被模數(shù)轉(zhuǎn)換器3采集，這也 會導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換器3的輸出不精確。并且，由于零漂電壓的存在，放大電路2的輸入輸出動態(tài) 范圍將被減小。現(xiàn)有技術(shù)通常在放大電路2中加入零漂電壓的調(diào)節(jié)電路，但是由于精度的限 制，無法完全消除零漂電壓。而且，放大電路2和模數(shù)轉(zhuǎn)換器3本身也同樣存在著零漂電壓， 若不加以調(diào)節(jié)，則將降低傳感器檢測的動態(tài)范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和傳感信號處理 裝置，以實現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中對零漂電壓進(jìn)行補(bǔ)償并可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考 電壓。
[0005] 第一方面，提供一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：
[0006]第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，根據(jù)輸入數(shù)字信號和采樣端的電壓輸出對應(yīng)的模擬輸出電壓；
[0007] 歸零開關(guān)，連接在所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端和零電壓端之間；
[0008] 采樣開關(guān)，連接在所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端和模擬信號輸入端之間；
[0009]比較器，具有與所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的第一輸入端以及與零電壓端 連接的第二輸入端；
[0010] 第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于輸出模擬補(bǔ)償電壓；
[0011] 第一補(bǔ)償電容，連接在所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端和所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸 出端之間；
[0012] 第二補(bǔ)償電容，連接在所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端與零電壓端之間；以及，
[0013]控制電路，與所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比較器連接，用于根據(jù)比較器輸出信號以逐 次逼近的方式逐位確定與模擬信號輸入端的模擬輸入信號對應(yīng)的數(shù)字信號。
[0014]優(yōu)選地，所述控制電路用于在第一模式下控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端連接 到零電壓端歸零，在第二模式下控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端連接到模擬信號輸入端 對模擬輸入信號進(jìn)行采樣，在第三模式下控制所述采樣開關(guān)和歸零開關(guān)關(guān)斷，在第四模式 下根據(jù)比較器輸出信號控制以逐次逼近的方式確定與模擬信號輸入端的模擬輸入信號對 應(yīng)的數(shù)字信號；
[0015] 所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于在第一模式和第二模式下輸出未疊加零漂電壓補(bǔ)償值 的模擬補(bǔ)償電壓，在第三和第四模式下輸出疊加零漂電壓補(bǔ)償值的模擬補(bǔ)償電壓。
[0016] 優(yōu)選地，所述第二補(bǔ)償電容為可調(diào)電容，用于調(diào)節(jié)參考電壓。
[0017]優(yōu)選地，所述第二補(bǔ)償電容包括多個相互并聯(lián)的電容單元，每個所述電容單元包 括：
[0018] 第一開關(guān)，連接在電容單元的第一端和中間端之間；
[0019] 子電容以及第二開關(guān)，并聯(lián)連接在所述中間端和所述電容單元的第二端之間；
[0020] 其中，所述第一開關(guān)和第二開關(guān)的控制信號相反。
[0021 ]優(yōu)選地，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括：
[0022] N+1個采樣電容，每個采樣電容的第一端與公共端連接，其中，第N+1個采樣電容的 第二端與零電壓端連接；
[0023] N個控制開關(guān)，分別與第1至第N個采樣電容的第二端連接，用于將對應(yīng)的采樣電容 的第二端連接至參考電壓端或零電壓端，所述N個控制開關(guān)的控制端與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的 輸入端連接；
[0024] 其中，所述公共端與所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端和輸出端連接，第i個采樣電容 的電容值為第1個采樣電容的電容值的2H倍，? = 1，2，···，Ν。第N+1個電容的電容值等于第 一個采樣電容的電容值。
[0025]優(yōu)選地，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括：
[0026] Ν+2個采樣電容，第1至第M個采樣電容的第一端與第一公共端連接，第Μ+1至第N個 采樣電容的第一端與第二公共端連接，第Ν+1個采樣電容連接在第一公共端和零電壓端之 間，第Ν+2個采樣電容連接在第一公共端和第二公共端之間，其中M為大于1小于N的整數(shù)；
[0027] N個控制開關(guān)，分別與第1至第N個采樣電容的第二端連接，用于將對應(yīng)的采樣電容 的第二端連接至參考電壓端或零電壓端，所述N個控制開關(guān)的控制端與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的 輸入端連接；
[0028] 其中，所述第一公共端與所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端連接，第二公共端與所述 第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接，第i個采樣電容的電容值為第1個采樣電容的電容值的2 1-1 倍，i = 1，2，…，M;第j個采樣電容的電容值為第1個采樣電容的電容值的2j+1倍，j = M+ 1，…，N-1，N;第N+1個及Ν+2個采樣電容的電容值等于第1個采樣電容的電容值。
[0029] 優(yōu)選地，所述控制電路用于在第一模式下控制歸零開關(guān)導(dǎo)通、采樣開關(guān)關(guān)斷，同時 控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號第N位為0,第1至N-I位為1，在第二模式下控制所 述采樣開關(guān)導(dǎo)通、歸零開關(guān)關(guān)斷，同時保持第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號不變，在第三模 式下控制采樣開關(guān)和歸零開關(guān)均關(guān)斷，同時保持第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號不變，在 第四模式下保持采樣開關(guān)和歸零開關(guān)關(guān)斷，從輸入數(shù)字信號的第N位向第1位逐位遍歷，對 于每個當(dāng)前位，將當(dāng)前位設(shè)置為〇,在所述比較器的輸出信號表征第一輸入端的電壓大于第 二輸入端的電壓時，將當(dāng)前位改變?yōu)?，否則將輸入數(shù)字信號的當(dāng)前位確定為〇,直至輸入數(shù) 字信號的所有位均被確定；
[0030] 所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于在第一模式和第二模式下輸出未疊加零漂電壓補(bǔ)償值的模 擬補(bǔ)償電壓，在第三和第四模式下輸出疊加有零漂電壓補(bǔ)償值的模擬補(bǔ)償電壓。
[0031] 優(yōu)選地，所述第一補(bǔ)償電容、第二補(bǔ)償電容以及零漂電壓補(bǔ)償值與零漂電壓滿足 如下關(guān)€·
[0032]
[0033] 其中，Vz為零漂電壓，Ccis為第一補(bǔ)償電容的電容值，Cc為第二補(bǔ)償電容的電容值，Co 為第N+1個采樣電容的電容值。
[0034] 優(yōu)選地，所述逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓和參考電壓端的電壓的關(guān)系滿足如 下關(guān)T
[0035]
[0036I 其中，AV為所述逐次退近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓，Vr為所述參考電壓端的電壓， Ccis為第一補(bǔ)償電容的電容值，α為第二補(bǔ)償電容的電容值，Co為第1個采樣電容的電容值。
[0037] 第二方面，提供一種逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，應(yīng)用于逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述 逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，根據(jù)輸入數(shù)字信號和采樣端的模擬信號輸出 對應(yīng)的輸出模擬電壓;歸零開關(guān)，連接在所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端和零電壓端之間;采 樣開關(guān)，連接在所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端和模擬信號輸入端之間；比較器，具有與所述 第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的第一輸入端以及與零電壓端連接的第二輸入端;第二數(shù)模 轉(zhuǎn)換器，用于輸出模擬補(bǔ)償電壓;第一補(bǔ)償電容，連接在所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端和所述電 容開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出端之間；第二補(bǔ)償電容，連接在第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端與零電壓端之 間；以及控制電路，用于根據(jù)比較器輸出信號以逐次逼近的方式逐位確定與模擬信號輸入 端的模擬輸入信號對應(yīng)的數(shù)字信號；
[0038] 所述方法包括：
[0039] 在第一模式下控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端連接到零電壓端進(jìn)行歸零，控制 第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器向第一補(bǔ)償電容施加未疊加零漂電壓補(bǔ)償值的模擬補(bǔ)償電壓；
[0040] 在第二模式下控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣端連接到模擬信號輸入端對模擬 輸入信號進(jìn)行采樣，控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器向第一補(bǔ)償電容施加未疊加零漂電壓補(bǔ)償值的模 擬補(bǔ)償電壓；
[0041]在第三模式下控制所述采樣開關(guān)和歸零開關(guān)關(guān)斷，并控制所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器向 第一補(bǔ)償電容施加疊加有零漂電壓補(bǔ)償值的模擬補(bǔ)償電壓；
[0042]在第四模式下，控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器保持向第一補(bǔ)償電容施加疊加有零漂電壓補(bǔ) 償值的模擬補(bǔ)償電壓，根據(jù)比較器輸出信號調(diào)整對第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號，以逐 次逼近的方式確定與模擬信號輸入端的模擬輸入信號對應(yīng)的數(shù)字信號。
[0043]優(yōu)選地，根據(jù)比較器輸出信號調(diào)整對第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號，以逐次逼 近的方式確定與模擬信號輸入端的模擬輸入信號對應(yīng)的數(shù)字信號包括：
[0044]保持采樣開關(guān)和歸零開關(guān)關(guān)斷，控制對第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號從最高位 向最低位遍歷，對于每個當(dāng)前位，將當(dāng)前位設(shè)置為0,在所述比較器的輸出信號表征第一輸 入端的電壓大于第二輸入端的電壓時，將當(dāng)前位改變?yōu)?，否則將輸入數(shù)字信號的當(dāng)前位確 定為0,直至輸入數(shù)字信號的所有位均被確定。
[0045] 優(yōu)選地，所述第一補(bǔ)償電容、第二補(bǔ)償電容以及零漂電壓補(bǔ)償值與零漂電壓滿足 如下關(guān)
[0046]
[0047] 其中，Vz為零漂電壓，C