一种模数转换器、模数转换方法及存内计算设备

本发明涉及半导体集成电路，尤其涉及一种模数转换器、模数转换方法及存内计算设备。

背景技术：

1、由于数字信号具有简单易处理、抗干扰、准确性高等优点，通常将自然界中的模拟信号转换为数字信号，再对数字信号进行处理。模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)作为模拟信号和数字信号之间转换的桥梁至关重要。在存算一体电路中，也需要使用adc将存储阵列中计算的模拟信号转换为数字信号进行传输和通信。

2、目前国内外已经研究出许多年不同结构的adc，常见的adc结构有流水线型、折叠插值型、快闪型和逐次逼近型。随着人们对设备需求的提高，对adc的设计要求也越来越高，包括面积小、精度高、速度快、功耗低等，但是这些优点需要折中，所以在不同的应用场合有不同需求的adc。而针对使用电池运行的边缘设备，低功耗就非常重要。

3、逐次逼近型(successive approximation register，sar)模数转换器由于它功耗低、面积小、结构简单等优点，受到了越来越多的关注。但是，传统sar adc比较次数和量程固定，而存算一体电路应用于存在不同程度稀疏度的神经网络会产生不同的输出范围，使用传统adc会产生量程不够，模数转换错误或量程和精度浪费，功耗开销大等问题。

技术实现思路

1、本申请实施例通过提供了一种模数转换器、模数转换方法及存内计算设备，该模数转换器可以根据并行输入的多路数字电压，实现对模数转化器的比较次数以及参考电压的初始值的动态调节，从而可以有效地避免量程不够、转换精度不高等情况。

2、第一方面，本发明通过本发明的一实施例提供如下技术方案：

3、一种模数转换器，包括采样保持电路、数模转换器、电压比较器、逻辑电路、调节电路以及寄存器；所述采样保持电路的输入端用于接收待转换的模拟电压，所述采样保持电路的输出端与所述电压比较器的正向输入端连接，所述数模转换器的输出端与所述电压比较器的负向输入端连接，所述数模转换器的输入端通过所述逻辑电路与所述寄存器的输出端连接，所述调节电路的输出端与所述寄存器的清零端连接，所述电压比较器的输出端与所述寄存器的数据输入端连接；所述调节电路用于接收与所述模拟电压对应的多路数字电压信号，统计所述多路数字电压信号中的高电平信号数量，基于所述高电平信号数量确定所述电压比较器的比较次数以及参考电压的初始值，并将所述比较次数以及所述参考电压的初始值存储到所述寄存器中，以基于所述比较次数以及所述参考电压的初始值对所述模拟电压信号进行模数转换。

4、优选地，所述模拟电压是基于所述多路数字电压信号与预设权重的乘积累加运算结果得到。

5、优选地，所述调节电路包括：计数器以及数字比较器，所述计数器的输出端与所述数字比较器的输入端连接，所述数字比较器的输出端与所述寄存器的清零端连接；所述计数器用于获取并行输入的多路数字电压信号，统计并输出所述多路数字电压信号中的高电平信号数量；所述数字比较器用于基于所述高电平信号数量以及预设增值表，确定所述电压比较器的比较次数和所述参考电压的初始值，其中，所述预设增值表中存储有数量范围、比较次数以及初始值之间的对应关系。

6、优选地，所述数量范围基于预设网络稀疏度系数所确定，其中，所述预设网络稀疏度系数表示所述预设权重的稀疏度。

7、优选地，所述计数器为累加器或加法计数器。

8、第二方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：

9、一种模数转换方法，包括：获取待转换的模拟电压，以及与所述模拟电压对应的多路数字电压信号，统计所述多路数字电压信号中的高电平信号数量；基于所述高电平信号数量确定比较次数以及参考电压的初始值；基于所述比较次数以及所述参考电压的初始值对待转换的模拟电压进行模数转换，得到转换后的数字信号。

10、优选地，所述基于所述高电平信号数量确定比较次数以及参考电压的初始值，包括：基于所述高电平信号数量以及预设增值表，确定所述比较次数和所述参考电压的初始值，其中，所述预设增值表中存储有数量范围、比较次数以及初始值之间的对应关系。

11、优选地，所述模拟电压是基于所述多路数字电压信号与预设权重的乘积累加运算结果得到，所述数量范围基于预设网络稀疏度系数所确定，其中，所述预设网络稀疏度系数表示存储器中存储阵列的值在神经网络中的每一层权重的稀疏度。

12、优选地，所述基于所述比较次数以及所述参考电压的初始值对待转换的模拟电压进行模数转换，包括：若所述比较次数小于输出位数，则将第m-1位至第n位比较结果置为“0”，其中，m表示输出位数，n表示比较次数，将所述模拟电压与所述参考电压的初始值进行比较，得到第n-1位的比较结果，并基于所述第n-1位比较结果切换所述参考电压，得到第n-2位的比较结果，直至得到第零位比较结果；若所述比较次数等于输出位数，则将所述模拟电压与所述参考电压的初始值进行比较，得到第m-1位的比较结果，并基于所述第m-1位比较结果切换所述参考电压，得到m-2位的比较结果，直至得到第零位比较结果。

13、第三方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：

14、一种存内计算设备，包括存储单元、存内计算控制单元以及如前述第一方面中任一项所述的模数转换器，所述存内计算控制单元、所述存储单元以及所述模数转换器相互连接。

15、本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

16、本发明实施例提供的模数转换器包括调节电路，由于传统的模数转换器中比较器的比较次数是由模数转换器adc的位数所决定，使得固定位数的模数转换器的比较次数也固定，且参考电压的初始值也固定。本申请提供的模数转换器中，采样保持电路的输入端接收待转换的模拟电压vin，调节电路的输入端接收多路数字电压信号in，该多路数字电压信号in与模拟电压vin存在对应关系。因为数字电压信号in中存在稀疏性(即有1有0)，通过调节电路获取输入的多路数字电压信号，可以统计出多路数字电压信号中的高电平信号数量，基于高电平信号数据可以确定出比较器的比较次数，以及数模转换器adc中参考电压的初始值。基于得到的比较次数以及参考电压的初始值进行模数转换，可以使得比较次数减小，从而有效地避免量程不够、转换精度不高以及转换容易错误等情况，因此，本申请提供的模数转换器具有高精度及低功耗等特点。

技术特征：

1.一种模数转换器，其特征在于，包括采样保持电路、数模转换器、电压比较器、逻辑电路、调节电路以及寄存器；

2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述模拟电压是基于所述多路数字电压信号与预设权重的乘积累加运算结果得到。

3.如权利要求2所述的模数转换器，其特征在于，所述调节电路包括：计数器以及数字比较器，所述计数器的输出端与所述数字比较器的输入端连接，所述数字比较器的输出端与所述寄存器的清零端连接；

4.如权利要求3所述的模数转换器，其特征在于，所述数量范围基于预设网络稀疏度系数所确定，其中，所述预设网络稀疏度系数表示所述预设权重的稀疏度。

5.如权利要求3所述的模数转换器，其特征在于，所述计数器为累加器或加法计数器。

6.一种模数转换方法，其特征在于，所述方法包括：

7.如权利要求6所述的模数转换方法，其特征在于，所述基于所述高电平信号数量确定比较次数以及参考电压的初始值，包括：

8.如权利要求7所述的模数转换方法，其特征在于，所述模拟电压是基于所述多路数字电压信号与预设权重的乘积累加运算结果得到，所述数量范围基于预设网络稀疏度系数所确定，其中，所述预设网络稀疏度系数表示存储器中存储阵列的值在神经网络中的每一层权重的稀疏度。

9.如权利要求6所述的模数转换方法，其特征在于，所述基于所述比较次数以及所述参考电压的初始值对待转换的模拟电压进行模数转换，包括：

10.一种存内计算设备，其特征在于，包括存储单元、存内计算控制单元以及如权利要求1-5中任一项所述的模数转换器，所述存内计算控制单元、所述存储单元以及所述模数转换器相互连接。

技术总结
本发明公开了一种模数转换器、模数转换方法及存内计算设备，该模数转换器包括采样保持电路、数模转换器、电压比较器、逻辑电路、调节电路以及寄存器；调节电路的输出端与寄存器的清零端连接，电压比较器的输出端与寄存器的数据输入端连接，寄存器的第一输出端与逻辑电路的输入端连接；调节电路用于接收与所述模拟电压对应的多路数字电压信号，统计高电平信号数量，基于高电平信号数量确定电压比较器的比较次数以及参考电压的初始值，并将比较次数以及参考电压的初始值存储到寄存器中，以基于比较次数以及参考电压的初始值对模拟电压进行模数转换。该模数转换器能够实现对内部电压比较器的比较次数以及参考电压的初始值的动态调节。

技术研发人员：窦春萌,王琳方,叶望,安俊杰,刘琦,李泠,刘明
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15