模数转换器、模数转换器的失调校准方法及相关设备与流程

1.本技术实施例涉及电学领域，尤其涉及一种模数转换器、模数转换器的失调校准方法及相关设备。


背景技术：

2.逐次逼近模数转换器具有结构简单，功耗低，芯片面积小的优点，因此被广泛应用于可穿戴设备等场合。
3.比较器是逐次逼近型模数转换器的核心模块。比较器电路一般采用全差分结构，差分对管在芯片生产中都有可能产生失配，从而造成模数转换器出现失调，使得量化结果出现偏差。因此，模数转换器中要增加失调校准功能，作用是测量电路存在的失调电压并对其进行消除，以此来提高模数转换器精度。现有的失调消除方法大部分是在电路的模拟端实现，通常是在比较器电路中加入自调零电容，通过适当的时序控制，将失调电压减小。
4.但是，这种失调消除方法必须在比较器前加入预放大器，并且需要引入额外的电容，开关以及时序控制，在每次模数转换器量化开始前需重复上述消除过程，增加了模拟电路以及时序控制电路的复杂度。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种模数转换器，用于降低对模数转换器失调校准时的模拟电路以及时序控制电路的工作复杂度。本技术实施例还提供了相应的模数转换器的失调校准方法、计算机设备和计算机可读存储介质。
6.本技术实施例提供的一种模数转换器包括比较器、正端电容和负端电容，所述比较器包括正输入端、负输入端和输出端，所述正端电容包括正端电容上极板和正端电容下极板，所述负端电容包括负端电容上极板和负端电容下极板，所述正输入端与所述正端电容上极板连接，所述负输入端与所述负端电容上极板连接；
7.所述负端电容下极板用于对所述模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，所述失调电压为使所述输出端的电压为亚稳态时所述正输入端和所述负输入端所需的补偿电压，所述量化结果为所有参与所述量化的负端电容下极板的电压都经过调整，以使所述正输入端和所述负输入端的电压差值逼近所述补偿电压时，所述负端电容下极板的电压调整值，所述量化结果用于调整所述负端电容下极板的电压以消除所述失调电压。
8.可选的，所述负端电容下极板具体用于对所述模数转换器的失调电压进行多次量化以得到多个量化结果，所述电压调整值为所述多个量化结果的平均值。
9.可选的，所述模数转换器为逐次逼近模数转换器，所述量化基于逐次逼近逻辑进行。
10.可选的，所述负端电容下极板具体用于根据所述模数转换器的失调电压量调整所述负端电容下极板的电压，得到中间量化结果；根据所述中间量化结果继续调整所述负端电容下极板的电压，得到新的中间量化结果；根据所述新的中间量化结果继续调整所述负
端电容下极板的电压直至所有参与所述量化的负端电容下极板的电压都经过调整时，得到所述量化结果。
11.可选的，所述量化结果为用于表示所述电压调整值的二进制数组。
12.本技术实施例提供的一种模数转换器的失调校准方法，应用于上述的任意一种模数转换器，该方法包括：
13.对所述模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，所述失调电压为使所述模数转换器的比较器的输出端电压为亚稳态时所述比较器的正输入端和负输入端所需的补偿电压，所述量化结果为所述模数转换器中所有参与所述量化的负端电容下极板的电压都经过调整，以使所述正输入端和所述负输入端的电压差值逼近所述补偿电压时，所述负端电容下极板的电压调整值；
14.根据所述电压调整值调整所述负端电容下极板的电压以消除所述失调电压。
15.可选的，所述根据所述电压调整值调整所述负端电容下极板的电压以消除所述失调电压之后，所述方法还包括：
16.对所述模数转换器进行量化。
17.本技术实施例提供的另一种模数转换器包括：
18.量化单元，用于对所述模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，所述失调电压为使所述模数转换器的比较器的输出端电压为亚稳态时所述比较器的正输入端和负输入端所需的补偿电压，所述量化结果为所述模数转换器中所有参与所述量化的负端电容下极板的电压都经过调整，以使所述正输入端和所述负输入端的电压差值逼近所述补偿电压时，所述负端电容下极板的电压调整值；
19.调整单元，用于根据所述电压调整值调整所述负端电容下极板的电压以消除所述失调电压。
20.本技术实施例提供的计算机设备，包括：
21.中央处理器，存储器以及输入输出接口；
22.所述存储器为短暂存储存储器或持久存储存储器；
23.所述中央处理器配置为与所述存储器通信，并执行所述存储器中的指令操作以执行前述方法。
24.本技术实施例提供的计算机可读存储介质，存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行前述方法。
25.从以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：
26.本技术实施例通过负端电容下极板对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，量化结果用于调整负端电容下极板的电压以消除失调电压。从而既不需要增加额外的失调消除模拟电路，也不需要在模数转换器量化周期内加入额外失调消除时序，降低了对模数转换器失调校准时的模拟电路以及时序控制电路的工作复杂度。
附图说明
27.图1为本技术实施例提供的模数转换器的一个实施例示意图；
28.图2为本技术实施例提供的模数转换器的失调校准方法的一个实施例示意图；
29.图3为本技术实施例提供的模数转换器的另一实施例示意图；
30.图4为本技术实施例提供的计算机设备的一个实施例示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本技术的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可知，随着技术发展和新场景的出现，本技术实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
32.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.本技术实施例提供一种模数转换器，用于降低对模数转换器失调校准时的模拟电路以及时序控制电路的工作复杂度。本技术实施例还提供了相应的模数转换器的失调校准方法、计算机设备和计算机可读存储介质。以下分别进行详细说明。
34.如图1所示，本技术提供的模数转换器的一实施例中，该模数转换器包括比较器100、正端电容200和负端电容300，比较器100包括正输入端110、负输入端120和输出端130，正端电容200包括正端电容上极板210和正端电容下极板220，负端电容300包括负端电容上极板310和负端电容下极板320，正输入端110与正端电容上极板210连接，负输入端120与负端电容上极板310连接。
35.本技术实施例中，模数转换器为逐次逼近模数转换器，对模数转换器进行的量化基于逐次逼近逻辑进行。负端电容下极板320用于对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，失调电压为使输出端130的电压为亚稳态时正输入端110和负输入端120所需的补偿电压，量化结果为所有参与量化的负端电容下极板320的电压都经过调整，以使正输入端110和负输入端120的电压差值逼近补偿电压时，负端电容下极板320的电压调整值，量化结果用于调整负端电容下极板320的电压以消除失调电压。本技术实施例中，其中输出端130电压为亚稳态时可以理解为输出端130刚好处于翻转点。
36.具体的，正端电容下极板a0至am全部接负参考电压v
refn
，正端电容200不参与量化，设定负端电容300有n位电容参与量化，则负端电容2nc，即c至2
n-1
c参与量化，更高位的电容下极板b
n+1
至bm全部接负参考电压v
refn
。
37.对模数转换器的失调电压进行量化时，负端电容下极板320具体用于根据模数转换器的失调电压量调整负端电容下极板320的电压，得到中间量化结果；根据中间量化结果继续调整负端电容下极板320的电压，得到新的中间量化结果；根据新的中间量化结果继续调整负端电容下极板320的电压直至所有参与量化的负端电容下极板320的电压都经过调整时，得到量化结果。
38.具体的，首先正负端电容上极板的电压，即正端电容上极板210的电压v
x
和负端电容上极板310的电压vn接共模电平v
cm
。同时，负端电容2
n-1
c下极板bn接正参考电压v
refp
，2
n-2
c及更低位电容下极板b
n-1
至b0全部接负参考电压v
refn
。正负端电容上下极板电压建立稳定
后，正负端电容上极板和v
cm
之间开关断开。此时，v
x
＝vn，模数转换器的比较器100的正负输入端存在值为v
os
的电压差，即失调电压vn＝v
p
+v
os
。此时，模数转换器按照逐次逼近逻辑进行量化，使比较器100的正负输入端的电压差值逐次逼近为补偿电压，从而尽可能消除失调电压。示例性的，负端电容300有n位参与量化，那么比较器100需比较n次，并且通过每次量化结果逐次控制bn至b1电压。更具体的，前n-1次的比较中，若第k次比较结果为1，则此次比较后，将负端电容下极板b
n-k
的电压调整为v
refp
；若第k次比较结果为0，则此次比较后，将负端电容下极板b
n-k+1
的电压调整为v
refn
，并将负端电容下极板b
n-k
的电压调整为v
refp
。第n次比较中，若比较结果为1，则此次比较后，负端电容下极板bn至b1的电压保持原状态；若比较结果为0，则此次比较后，负端电容下极板b1的电压调整为v
refn
。
39.量化结束后，达到的效果是vn＝v
p
，即通过改变2
n-1
c及其更低位电容下极板bn至b1处电压，使vn处电压变化了-v
os
，即补偿电压。至此失调电压v
os
被量化完毕，量化结果为用于表示上述电压调整值的二进制数组，即为bn至b1这n位二进制数，若bn接v
refp
，该位对应二进制数1，若bn接v
refn
，该位对应二进制数0。
40.进一步的，上述过程可以重复多次并取平均以得到更精确的量化结果，即负端电容下极板320具体用于对模数转换器的失调电压进行多次量化以得到多个量化结果，电压调整值为多个量化结果的平均值。最后，将该量化结果记录下来以便正常量化时消除失调电压v
os
。
41.获取量化结果后，就需要对失调电压进行消除，此时正端电容下极板am至a0全部接输入模拟电压v
in
，负端电容2
n-1
c下极板bn接v
refp
，其余电容下极板全部接v
refn
。正负端电容上极板v
x
、vn全部接共模电平v
cm
。当正负端上极板与共模电平v
cm
之间的开关断开时，正端电容上极板存储的电荷可表示为：
42.q
x＝2m
c(v
cm-v
in
)
ꢀꢀꢀ
(1)
43.正负端电容上极板与v
cm
之间的开关断开后，正端最高位电容2
m-1
c下极板am接v
refp
，其余电容下极板全部接v
refn
，此时正端电容上极板210存储的电荷可表示为：
44.q
x＝2m-1
c(v
x-v
refp
)+2
m-1
c(v
x-v
refn
)
ꢀꢀꢀ
(2)
45.根据电荷守恒以及公式(1)和公式(2)可得：
[0046][0047][0048]
若不加入本技术实施例提供的失调校准过程，正负端上极板与v
cm
之间开关断开时，负端电容下极板b0至bm不发生变化，所以有：
[0049]vn
＝v
cm
ꢀꢀꢀ
(5)
[0050]
对比(4)(5)两式，很明显，失调电压v
os
将对量化结果造成影响。
[0051]
若加入本技术实施例提供的失调校准过程，正负端上极板与v
cm
之间的开关断开后，正端最高位电容2
m-1
c下极板am接v
refp
，其余电容下极板全部接v
refn
，与此同时，负端电容下极板bn至b1按照失调电压量化阶段得到的v
os
量化结果修改电压值，若bn为1，该点电压接v
refp
，若bn为0，该点电压接v
refn
。那么公式(5)将变成：
[0052]vn
＝v
cm-v
os
ꢀꢀꢀ
(6)
[0053]
将(4)与(6)相比较，本技术实施例提出的失调校准方法成功消除了电路失调v
os
带
来的量化误差，然后就可以对该模数转换器进行正常量化。本技术实施例将模数转换器失调校准功能从模拟端转移到数字端，在正常量化过程中，只需要将失调校准工作模式中得到的失调量化码字注入到电容中，即可对电路失调电压进行消除。既不需要增加模拟电路的复杂度，也不需要在正常量化过程中加入额外的控制时序，同时还能应用于不含比较器的预放大器的模数转换器中。具有适用面广，电路简单容易实现的特点。
[0054]
本技术实施例通过负端电容下极板对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，量化结果用于调整负端电容下极板的电压以消除失调电压。从而既不需要增加额外的失调消除模拟电路，也不需要在模数转换器量化周期内加入额外失调消除时序，降低了对模数转换器失调校准时的模拟电路以及时序控制电路的工作复杂度。
[0055]
如图2所示，本技术提供的模数转换器的失调校准方法的一实施例包括：
[0056]
201、对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果。
[0057]
其中，失调电压为使模数转换器的比较器的输出端电压为亚稳态时比较器的正输入端和负输入端所需的补偿电压，量化结果为模数转换器中所有参与量化的负端电容下极板的电压都经过调整，以使正输入端和负输入端的电压差值逼近补偿电压时，负端电容下极板的电压调整值；
[0058]
202、根据电压调整值调整负端电容下极板的电压以消除失调电压。
[0059]
203、对模数转换器进行量化。
[0060]
本技术实施例中，模数转换器为逐次逼近模数转换器。量化基于逐次逼近逻辑进行。量化结果为用于表示电压调整值的二进制数组。
[0061]
可选的，对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果时，具体可以对模数转换器的失调电压进行多次量化以得到多个量化结果，其中电压调整值为多个量化结果的平均值。
[0062]
可选的，对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果时，具体可以根据模数转换器的失调电压调整负端电容下极板电压，得到中间量化结果；根据中间量化结果继续调整负端电容下极板电压，得到新的中间量化结果；根据新的中间量化结果继续调整负端电容下极板电压直至模数转换器中所有参与量化的负端电容下极板的电压都经过调整时，得到量化结果。
[0063]
本技术实施例提供的模数转换器的失调校准方法具体实施方式可以参考前述实施例中对模数转换器的描述，本技术实施例不再赘述。
[0064]
如图3所示，本技术实施例提供的一种模数转换器300包括：
[0065]
量化单元301，用于对模数转换器的失调电压进行量化以得到量化结果，失调电压为使模数转换器的比较器的输出端电压为亚稳态时比较器的正输入端和负输入端所需的补偿电压，量化结果为模数转换器中所有参与量化的负端电容下极板的电压都经过调整，以使正输入端和负输入端的电压差值逼近补偿电压时，负端电容下极板的电压调整值；
[0066]
调整单元302，用于根据电压调整值调整负端电容下极板的电压以消除失调电压。
[0067]
可选的，量化单元301具体用于对模数转换器的失调电压进行多次量化以得到多个量化结果，调整值为多个量化结果的平均值。
[0068]
可选的，量化单元301还用于对模数转换器进行量化。
[0069]
可选的，模数转换器为逐次逼近模数转换器，量化基于逐次逼近逻辑进行。
[0070]
可选的，量化单元301具体还用于根据模数转换器的失调电压量调整负端电容下极板的电压，得到中间量化结果；根据中间量化结果继续调整负端电容下极板的电压，得到新的中间量化结果；根据新的中间量化结果继续调整负端电容下极板的电压直至所有参与量化的负端电容下极板的电压都经过调整时，得到量化结果。
[0071]
可选的，所述量化结果为用于表示所述调整值的二进制数组。
[0072]
图4是本技术实施例提供的一种计算机设备结构示意图，该计算机设备400可以包括一个或一个以上中央处理器(central processing units，cpu)401和存储器405，该存储器405中存储有一个或一个以上的应用程序或数据。
[0073]
其中，存储器405可以是易失性存储或持久存储。存储在存储器405的程序可以包括一个或一个以上模块，每个模块可以包括对计算机设备中的一系列指令操作。更进一步地，中央处理器401可以设置为与存储器405通信，在计算机设备400上执行存储器405中的一系列指令操作。
[0074]
计算机设备400还可以包括一个或一个以上电源402，一个或一个以上有线或无线网络接口403，一个或一个以上输入输出接口404，和/或，一个或一个以上操作系统，例如windows servertm，mac os xtm，unixtm,linuxtm，freebsdtm等。
[0075]
该中央处理器401可以执行前述实施例提供的模数转换器的失调校准方法，具体此处不再赘述。
[0076]
在本技术的另一实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当设备的至少一个处理器执行该计算机执行指令时，设备执行前述实施例提供的模数转换器的失调校准方法。
[0077]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0078]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0079]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0080]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0081]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机
设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。