分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器及其方法

本发明涉及模数转换器领域，具体的说是分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器及其方法。

背景技术：

1、模数转换器是一种将模拟信号转变为数字信号的电子元件。模数转换器通常可以分为直接型和间接型两种。在直接型模数转换器中，逐次逼近型模数转换器是一种中分辨率、中等速度且结构简单的类型。

2、逐次逼近型模数转换器具有数字化程度高、功耗低等优点。具体地说，逐次逼近型模数转换器的基本结构只包括移位寄存器、比较器和电容阵列，不需要提供增益的电路，因此能够应用在传感器、便携式设备及生物信号采集等低功耗的物联网领域。

3、但是，随着现有技术中电子元件工艺尺寸的逐渐缩减，数字电路的功耗所占的比例不断减小，而纯模拟电路的逼近型模数转换器的功耗却很难随着工艺的进步而减小，导致限制了逼近型模数转换器的适用范围。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器及其方法，通过分区休眠的方式降低了电容单元所需的能耗，减少了单位电容数量，使得模数转换器整体功耗得以减小。

2、为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

3、分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，包括：

4、正相转换电容阵列，包括正相高电容阵列和正相低电容阵列；

5、反相转换电容阵列，包括反相高电容阵列和反相低电容阵列；

6、正相高电容阵列、正相低电容阵列、反相高电容阵列和反相低电容阵列均包括多个按序排列的电容单元，且相邻的两个电容单元之间设置有桥接开关；

7、在多个按序排列的电容单元中，第一个电容单元包括两个单位电容和一个扩展电容，并且两个单位电容并联后与扩展电容串联，扩展电容的容值为单位电容的二倍，第二个电容单元包括一个单位电容，从第三个电容单元开始后一个电容单元包括前一个电容单元的全部以及一个容值等于前一个电容单元总容值的高值电容；

8、采样模块，用于从所有电容单元的顶板上对输入信号进行初始采样；

9、比较器，用于对输入信号或者正相转换电容阵列与反相转换电容阵列的状态进行比较并且输出位数据；

10、移位寄存器，用于存储位数据；

11、状态切换模块，用于与桥接开关配合控制所有电容单元的电路连接状态，电路连接状态包括连接状态和电压状态。

12、优选的，所述正相高电容阵列、所述正相低电容阵列、所述反相高电容阵列和所述反相低电容阵列均包括n-3个按序排列的所述电容单元，其中n为所述模数转换器的位数。

13、优选的，所述模数转换器还包括两个电源模块，所述状态切换模块包括多个状态切换单元，电源模块通过状态切换单元与所述电容单元对应连接。

14、优选的，所述状态切换单元包括多个切换开关，切换开关与所述电容单元中的电容对应连接。

15、优选的，所述电源模块包括接地端gnd、参考电压端vref和共模电压端vcm。

16、分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换方法，基于上述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，所述方法包括如下步骤：

17、利用所述采样模块对所述输入信号进行初始采样；

18、对所有所述电容单元的电路连接状态进行第一次调整，使将第一个电容单元与所述比较器连接，并且由比较器对输入信号进行第一次比较后输出位数据d0；

19、基于d0对电容单元的电路连接状态进行第二次调整，改变第一个电容单元的电压状态，并且在调整后由比较器进行第二次比较后输出位数据d1；

20、基于d1对正相低电容阵列和反相低电容阵列中电容单元的电压状态进行第三次调整，并且在调整后由比较器进行第三次比较后输出位数据d2；

21、基于d0、d1和d2对所有电容单元的电路连接状态进行第四次调整，并且在调整后由比较器进行第四次比较后输出位数据d3；

22、基于d2和d3对所有电容单元的电路连接状态进行第五次调整，并且在调整后由比较器进行第五次比较后输出位数据d4；

23、基于d2和dn-2对所有电容单元的电路连接状态进行第n次调整，并且在调整后由比较器进行第n次比较后输出位数据dn-1，直到得到位数据dn-1，其中n为所述模数转换器的位数。

24、优选的，利用所述采样模块对所述输入信号进行初始采样时，所述正相高电容阵列和所述反相高电容阵列中所有的所述电容单元的电压状态调整为vref，所述正相低电容阵列和所述反相低电容阵列中的所有电容单元的电压状态调整为gnd。

25、优选的，对所有所述电容单元的电路连接状态进行第一次调整的方法包括：

26、在多个所述电容单元中，利用所述状态切换模块将除第一个电容单元之外的所有电容单元的连接状态切换至断开。

27、优选的，基于d0对电容单元的电路连接状态进行第二次调整的具体方法包括：

28、若d0=1，利用所述状态切换模块将所述正相低电容阵列和所述反相高电容阵列中的第一个所述电容单元的连接状态切换至断开，若d0=0，将所述正相高电容阵列和所述反相低电容阵列中的第一个所述电容单元的连接状态切换至断开；

29、将连接状态保持为连接的第一个电容单元的电压状态调整为vcm。

30、优选的，每生成一个位数据，将位数据按序存入到所述移位寄存器中。

31、本发明设采用了电容阵列分区休眠的技术，使得模数转换器仅需使用一半的电源电压即可处理相同的输入信号摆幅，因此极大程度上降低了所需的能耗，减少了单位电容数量，优化了电容阵列的开关切换方案，使得模数转换器整体功耗得以减小；

32、本发明对于n位分辨率的模数转换器，可自由调节所需输出的分辨率，即可以在5-n位的范围内调节，灵活度更高，适用范围更加广泛。

技术特征：

1.分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，其特征在于，所述正相高电容阵列、所述正相低电容阵列、所述反相高电容阵列和所述反相低电容阵列均包括n-3个按序排列的所述电容单元，其中n为所述模数转换器的位数。

3.如权利要求1所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，其特征在于，所述模数转换器还包括两个电源模块，所述状态切换模块包括多个状态切换单元，电源模块通过状态切换单元与所述电容单元对应连接。

4.如权利要求3所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，其特征在于，所述状态切换单元包括多个切换开关，切换开关与所述电容单元中的电容对应连接。

5.如权利要求3所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，其特征在于，所述电源模块包括接地端gnd、参考电压端vref和共模电压端vcm。

6.分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换方法，基于如权利要求1-5中任意一项所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

7.如权利要求6所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换方法，其特征在于，利用所述采样模块对所述输入信号进行初始采样时，所述正相高电容阵列和所述反相高电容阵列中所有的所述电容单元的电压状态调整为vref，所述正相低电容阵列和所述反相低电容阵列中的所有电容单元的电压状态调整为gnd。

8.如权利要求6所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换方法，其特征在于，对所有所述电容单元的电路连接状态进行第一次调整的方法包括：

9.如权利要求8所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换方法，其特征在于，基于d0对电容单元的电路连接状态进行第二次调整的具体方法包括：

10.如权利要求6所述的分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换方法，其特征在于，每生成一个位数据，将位数据按序存入到所述移位寄存器中。

技术总结
分区休眠式可调分辨率的电容阵列模数转换器，包括：正相转换电容阵列，包括正相高电容阵列和正相低电容阵列；反相转换电容阵列，包括反相高电容阵列和反相低电容阵列；采样模块，用于从所有电容单元的顶板上对输入信号进行初始采样；比较器，用于对输入信号或者正相转换电容阵列与反相转换电容阵列的状态进行比较并且输出位数据；移位寄存器，用于存储位数据；状态切换模块，用于与桥接开关配合控制所有电容单元的电路连接状态，电路连接状态包括连接状态和电压状态。本发明通过分区休眠的方式降低了电容单元所需的能耗，减少了单位电容数量，使得模数转换器整体功耗得以减小。

技术研发人员：胡云峰,唐彬,蔡佳祺,游宇涵,林锦宏,黄庆明,袁冰冰,胡梦思
受保护的技术使用者：电子科技大学中山学院
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6