一种模数转换电路和芯片的制作方法

1.本技术属于集成电路设计技术领域，尤其涉及一种模数转换电路和芯片。


背景技术：

2.模数转换器(analog-to-digital converter，adc)作为模拟和数字世界的接口，广泛用于各种应用中，尤其是需要处理模拟传感器信号的测量系统，比如测量压力、流量、速度和温度的数据采集系统。
3.现有提供的模数转换电路，电压量化范围都是固定的。对于电压量化范围固定的模数转换电路，在量化噪声功率不变的情况下，当输入信号电压最大值低于电压量化范围最大值且不断降低时，模数转换电路输出的量化性能也随之降低。
4.因此，现有的模数转换电路由于量化范围固定，无法适应不同电压范围的输入信号，导致模数转换电路输出的量化性能不佳。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种模数转换电路和芯片，旨在解决现有的模数转换电路的电压量化范围固定而导致输出量化性能不佳的问题。
6.本技术实施例的第一方面提了一种模数转换电路，包括电容阵列、比较模块和逻辑电路；所述电容阵列包括采样电容阵列和调节电容阵列；
7.所述采样电容阵列，用于对输入的模拟信号进行采样和量化；
8.所述比较模块，与所述电容阵列连接，所述比较模块用于根据所述采样电容阵列输出的采样和量化结果输出比较结果；
9.所述逻辑电路，分别与所述电容阵列和所述比较模块连接，用于根据所述比较模块输出的比较结果输出数字信号；
10.所述调节电容阵列，与所述采样电容阵列连接，所述调节电容阵列包括调节电容模块，所述调节电容阵列用于根据接收到的量化范围调节信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块。
11.通过在模数转换电路的电容阵列结构中增加所述调节电容阵列，并根据量化范围调节控制信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块，从而使得接入到所述电容阵列中的电容值可变，因此能够提供一个电压量化范围可变的模数转换电路，从而使得模数转换电路的电压量化范围能够根据输入信号电压值进行适应性调整，进而优化了模数转换电路输出的量化性能。
12.在第一方面的一种实现方式中，所述调节电容模块包括调节电容单元和开关单元；
13.所述调节电容阵列，用于根据所述量化范围调节信号控制所述开关单元的开关状态，以调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块。
14.在第一方面的一种实现方式中，所述调节电容阵列包括固定电容模块和调节电容
模块；所述固定电容模块和所述调节电容模块并联。
15.在第一方面的一种实现方式中，所述模数转换电路包括调节信号生成模块；
16.所述调节信号生成模块，与所述调节电容阵列连接，用于根据输入的模拟信号的电压最大值确定对应的电压量化范围，以根据所述对应的电压量化范围生成对应的量化范围调节信号。
17.通过在所述模数转换电路中设计所述调节信号生成模块，能使得所述模数转换电路能够跟随输入信号的电压最大值自适应调整电压量化范围，从而使得模数转换电路输出的有效位数接近于所述模数转换电路的理想位数，进而提高了模数转换电路的输出量化性能。
18.在第一方面的一种实现方式中，所述量化范围调节信号被配置为二进制数字控制信号，则所述模数转换电路还包括温度计码转换电路；
19.所述温度计码转换电路，与所述调节信号生成模块连接，用于将所述量化范围调节信号转换为温度计码控制信号，以根据转换成的所述温度计码控制信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块。
20.通过将所述量化范围调节信号配置为二进制码，再将其转换为温度计码来使用，由每一位温度计码对应控制一个所述调节电容模块的接入状态。由于二进制码转换到温度计码后位数增加了，因此能够以较少的二进制位数控制多个所述调节电容模块的接入状态。
21.在第一方面的一种实现方式中，所述开关单元包括开关管。
22.在第一方面的一种实现方式中，所述开关单元的沟道宽长比与所述调节电容单元的电容值成正相关关系。
23.通过设置开关单元的沟道宽长比与所述调节电容单元的电容值成正相关，使得所述开关单元能够快速调整所述调节电容模块在所述电容阵列中的接入状态，优化了所述模数转换电路的性能。
24.在第一方面的一种实现方式中，所述调节电容阵列包括多个调节电容模块，多个所述调节电容模块并联。
25.在第一方面的一种实现方式中，所述调节电容单元包括多个调节电容，多个所述调节电容并联。
26.本技术实施例的第二方面提了一种芯片，所述芯片包括上述第一方面提供的模数转换电路。
27.可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
28.图1为一模数转换电路的结构示意图；
29.图2为本技术实施例提供的一模数转换电路的电路结构示意图；
30.图3为本技术实施例提供的模数转换电路为基于共模电平不变的全差分逐次逼近型模数转换电路时的电路结构示意图；
31.图4为本技术实施例提供的模数转换电路中调节电容模块的结构示意图；
32.图5为本技术实施例提供的另一模数转换电路的电路结构示意图；
33.图6为本技术实施例提供的又一模数转换电路的电路结构示意图；
34.图7为本技术实施例提供的模数转换电路为基于共模电平不变的全差分逐次逼近型模数转换电路时，模数转换电路中调节电容阵列的结构示意图；
35.图8为图7中调节电容模块和固定电容模块的示例性电路原理图；
36.图9为图8中调节电容模块不接入电路时的等效电路原理图；
37.图10为电压量化范围固定的模数转换电路的输入信号和输出信号的曲线图；
38.图11为本技术实施例的模数转换电路的输入信号和输出信号的曲线图；
39.图12为电压量化范围固定的模数转换电路和本技术实施例的模数转换电路输出的有效位数的对比示意图。
具体实施方式
40.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.需要说明的是，在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.参见图1，图1为一种模数转换电路的电路结构示意图。该模数转换电路为基于共模电平不变的全差分逐次逼近型模数转换电路，包括采样开关、采样电容阵列(如图1中的虚线框部分)、比较模块和逻辑电路。其中，采样开关与采样电容阵列的输入端连接，采样电容阵列的输出端与比较模块的输入端连接，比较模块的输出端与逻辑电路的输入端连接，逻辑电路的输出端与采样电容阵列的电容开关连接。当模数转换电路工作时(处于模数转换模式)，采样电容阵列先对输入的模拟信号进行采样和量化，比较模块再根据采样和量化的结果进行比较，逻辑控制电路根据比较模块的比较结果输出数字信号，从而完成了模拟信号与数字信号之间的转换。
43.用于衡量模数转换电路量化性能的指标包括信噪比(signal to interference plus noise ratio，snr)和有效位数(effective numbers of bits，enob)。信噪比一般用来量化模数转换电路内噪声的参数，它是输入信号功率与噪声功率的比值，也可以换算成电压幅值的比率关系，即输入信号电压的最大值和噪声电压的最大值的比值。有效位数是用于衡量模数转换电路相对于输入信号在奈奎斯特带宽上的转换质量的参数，常用来评价模数转换电路的实际精度。
44.在实际设计中，不是所有的模数转换电路都能实现理想的设计指标，由于电路存在失真，模数转换电路输出的有效位数都会小于理想位数。对于一个理想的模数转换电路，信噪比与有效位数的关系表示如下：
45.snr＝6.02enob+1.76db。
46.可见，有效位数受信噪比影响，并且随着信噪比的降低，模数转换电路输出的有效位数也会降低。
47.由于模数转换电路的信噪比与输入信号电压的最大值、噪声电压的最大值有关。对于电压量化范围固定的模数转换电路，在噪声功率不变的情况下，随着输入信号电压的
最大值低于电压量化范围最大值且不断降低，模数转换电路输出的有效位数也随之降低，量化输出性能也随之降低，不能满足不同量化范围需求下的模数转换电路的性能要求，限制其应用范围。
48.因此，有必要对现有的模数转换电路进行改进，实现电压量化范围可调。下面结合附图对本实施例的模数转换电路进行详细说明。
49.图2示出了本技术第一实施例提供的模数转换电路的一种结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
50.本技术实施例提供的模数转换电路，包括电容阵列1、比较模块2和逻辑电路3；所述电容阵列1包括采样电容阵列12和调节电容阵列11。
51.所述采样电容阵列12用于对输入的模拟信号进行采样和量化。
52.所述比较模块2与所述电容阵列1连接，所述比较模块2用于根据所述采样电容阵列12输出的采样和量化结果输出比较结果。
53.所述逻辑电路3分别与所述电容阵列1和所述比较模块2连接，用于根据所述比较模块2输出的比较结果输出数字信号。
54.所述调节电容阵列11与所述采样电容阵列12连接，所述调节电容阵列11包括调节电容模块111，所述调节电容阵列11用于根据接收到的量化范围调节信号调整接入到所述电容阵列1中的所述调节电容模块111。
55.其中，所述采样电容阵列12的结构与现有的电容阵列的结构类似，示例性的，为了更清楚展示所述模数转换电路各个部分的内部结构，以基于共模电平不变的全差分逐次逼近型模数转换电路为例，图3示出了本技术的模数转换电路的另一种结构示意图(其中，虚线框部分为采样电容阵列)。
56.在本实施例中，所述电容阵列1包括所述采样电容阵列12和所述调节电容阵列11，其中，所述采样电容阵列12接入到所述电容阵列1的电容值是固定的。为了实现电压量化范围可调，本实施例通过控制所述调节电容模块111的接入状态，以调整接入到所述电容阵列1中的所述调节电容模块111，从而调整接入到所述电容阵列1中的电容值。由于模数转换电路的电压量化范围与所述电容阵列1接入到所述模数转换电路中的电容值有关，因此，通过本实施例能够提供电压量化范围可调的模数转换电路。
57.可见，在该实施例中，通过在模数转换电路的电容阵列结构中增加所述调节电容阵列11，由于接入到所述电容阵列1中的所述调节电容模块111可调整，因此能够提供一个电压量化范围可变的模数转换电路，从而使得模数转换电路的电压量化范围能够根据输入信号进行适应性调整，进而优化了模数转换电路输出的量化性能。
58.在一种实施方式中，所述调节电容阵列11包括多个调节电容模块111，多个所述调节电容模块111并联。
59.在该实施例中，所述调节电容阵列11包括多个所述调节电容模块111，以使得能通过调整多个所述调节电容模块111在所述电容阵列1中的接入状态来调整所述电容阵列1接入到所述模数转换电路中的电容值，增大了电压量化范围的调整范围，从而使得所述模数转换电路能够根据不同电压范围的输入信号对电压量化范围进行调整，进而使得不同电压范围的输入信号输入到所述模数转换电路中，所述模数转换电路输出的有效位数都能达到理想位数。
60.参见图4，图4示出了本技术实施例的所述调节电容模块111的一种结构示意图。在该实施方式中，所述调节电容模块111包括调节电容单元1111和开关单元1112。
61.所述调节电容阵列11，用于根据所述量化范围调节信号控制所述开关单元1112的开关状态，以调整接入到所述电容阵列1中的所述调节电容模块111。
62.在该实施例中，通过所述量化范围调节信号控制所述开关单元1112的开关状态，从而能够调整接入到所述电容阵列1中的所述调节电容模块111。具体的，所述调节电容模块111接入到所述电容阵列1中的电容值可以为0，也可以为所述调节电容模块111出厂时设计的电容大小，还可以为其他电容值。如当所述开关单元1112为开关管时，由于开关管存在寄生电容，会在电路中产生额外的电容值。
63.在一些实施方式中，参见图5，图5示出了本技术实施例的另一模数转换电路的结构示意图。在该实施例中，所述调节电容阵列11包括固定电容模块112和调节电容模块111；所述固定电容模块112和所述调节电容模块111并联。示例性的，所述固定电容模块112可以包括多个并联的电容，具体根据实际情况设置。
64.在该实施例中，所述固定电容模块112接入到所述电容阵列1中的电容值等于所述固定电容模块112的电容值，为一恒定值。由于一个电容值对应一个电压量化范围，且所述电容阵列1接入到电路中的电容值越大，电压量化范围最大值就越小。因此，在设计多个不同挡位的量化范围调节信号时，可以将所述固定电容模块112的电容值作为最高挡位对应的所述电容阵列1所需接入到电路中的电容值，在设计次高挡位所需的电容值可以在所述固定电容模块112的基础上增加一个所述调节电容模块111，以此类推，根据所设计的挡位个数增设对应个数的所述调节电容模块111。
65.在一种实施方式中，所述开关单元1112包括开关管。该开关管可以为p型mos管、n型mos管或其他类型的开关管，本技术不对此进行限定。
66.在本实施例中，所述开关单元1112包括开关管，以根据所述量化范围调节信号控制开关管的导通或截止，进而调整所述调节电容模块111在所述电容阵列1中的接入状态，从而调整所述电容阵列1接入到所述模数转换电路中的电容值。
67.在一些实施方式中，所述开关单元1112可以包括可控硅、电磁开关或电动开关等其他开关器件。本技术不对此进行限定。
68.在一些实施方式中，所述开关单元1112的沟道宽长比与所述调节电容单元1111的电容值成正相关关系。
69.为了保证所述开关单元1112的驱动效率，当所述调节电容单元1111的电容值越大时，要求所述开关单元1112的驱动能力就越大。因此，需要设置所述开关单元1112的沟通宽长比与所述调节电容单元1111的电容值成正相关，以使所述开关单元1112具备足够的导通能量。
70.可见，在该实施例中，通过设置所述开关单元1112的沟道宽长比与所述调节电容单元1111的电容值成正相关，使得所述开关单元1112能够快速调整所述调节电容模块111在所述电容阵列1中的接入状态，优化了所述模数转换电路的性能。
71.在一种实施方式中，所述模数转换电路包括调节信号生成模块。
72.所述调节信号生成模块，与所述调节电容阵列11连接，用于根据输入的模拟信号的电压最大值确定对应的电压量化范围，以根据所述对应的电压量化范围生成对应的量化
范围调节信号。
73.本实施例的模数转换电路还包括所述调节信号生成模块，所述调节信号生成模块能够根据输入的模拟信号的电压最大值确定对应的电压量化范围，并根据不同的电压量化范围生成不同挡位的量化范围调节信号，从而使得所述模数转换电路的电压量化范围能够跟随输入信号的电压值进行动态调整。
74.例如，当正弦波信号f1输入到所述模数转换电路中，所述模数转换电路根据正弦波信号f1的电压最大值确定第一电压量化范围，并调整所述模数转换电路当前的电压量化范围为第一电压量化范围，以使得所述模数转换电路当前的电压量化范围最大值接近于正弦波信号f1的电压最大值；当正弦波信号f2输入到所述模数转换电路中，所述模数转换电路根据正弦波信号f2的电压最大值确定第二电压量化范围，并调整所述模数转换电路当前的电压量化范围为第二电压量化范围，以使得所述模数转换电路当前的电压量化范围最大值接近于正弦波信号f2的电压最大值。由于在噪声功率不变的情况下，当输入信号最大值等于电压量化范围最大值时，所述模数转换电路输出的有效位数能接近于理想有效位数，从而能够使得不同电压范围的输入信号输入到所述模数转换电路中，输出的有效位数都能接近理想的位数。
75.可见，在该实施例中，通过在所述模数转换电路中设计所述调节信号生成模块，能使得所述模数转换电路能够跟随输入信号的电压最大值自适应调整电压量化范围，从而使得模数转换电路输出的有效位数接近于所述模数转换电路的理想位数，进而提高了模数转换电路的输出量化性能。
76.在一种实施方式中，本实施例还提供了又一模数转换电路，该实施例的模数转换电路的结构图如图6所示。其中，所述量化范围调节信号被配置为二进制数字控制信号，所述模数转换电路还包括温度计码转换电路4。
77.所述温度计码转换电路4与所述调节信号生成模块连接，所述温度计码转换电路4用于将所述量化范围调节信号转换为温度计码控制信号，以根据转换成的所述温度计码控制信号调整接入到所述电容阵列1中的所述调节电容模块111。
78.具体的，二进制码是数字电路中最常用的数字码，常用符号0和1来表示，每个符号占用1个比特位(bit)。而温度计码是一种各比特位的权重一致的数字码，其同样由符号0和1组成，但该温度计码中符号1的数量对应十进制数值。由于温度计码的长度较长，所以温度计码不便于进行计算，因此，在本实施例中，所述量化范围调节信号被配置为二进制码，再将其转换为温度计码来使用，由每一位温度计码对应控制一个所述调节电容模块111的接入状态。由于二进制码转换到温度计码后位数增加了，因此，本实施例能够以较少的二进制位数控制多个所述调节电容模块111的接入状态。
79.相应地，本技术实施例还提供了一种用于确定上述模数转换电路中电容阵列的电容值的一种方法，该模数转换电路的电容阵列包括采样电容阵列和调节电容阵列；其中，所述调节电容阵列与所述采样电容阵列连接，所述调节电容阵列包括调节电容模块，所述调节电容阵列用于根据接收到的量化范围调节信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块；所述调节电容模块包括串联连接的调节电容单元和开关管单元，方法包括：
80.s11，获取通过仿真确定的所述调节电容模块不接入所述电容阵列时所接入到所述模数转换电路的等效电容值；所述调节电容模块不接入所述电容阵列是指所述调节电容
模块的开关管单元关断。
81.s12，基于预置的电压量化范围计算公式、预置的不同量化范围调节信号所对应的电压量化范围最大值和对应的各调节电容模块的接入状态，确定各个所述调节电容模块包含的所述调节电容单元的个数，以根据各个所述调节电容模块包含的所述调节电容单元的个数和预置的所述调节电容单元的电容值，确定所述模数转换电路中电容阵列的电容值。
82.可替代性的，所述模数转换电路中的所述调节电容阵列包括调节电容模块和固定电容模块；所述固定电容模块包括固定电容单元；则上述s12包括：
83.基于预置的电压量化范围计算公式、预置的不同量化范围调节信号所对应的电压量化范围最大值和对应的各调节电容模块的接入状态，确定所述固定电容模块所包含的所述固定电容单元的个数和各个所述调节电容模块含有的所述调节电容单元的个数，以根据所述固定电容模块所含有的所述固定电容单元的个数、各个所述调节电容模块含有的所述调节电容单元的个数和预置的所述调节电容单元的电容值，确定所述模数转换电路中电容阵列的电容值。
84.其中，电压量化范围计算公式根据具体类型的模数转换电路确定，以图3示出的基于共模电平不变的全差分逐次逼近型模数转换电路为例，其电压量化范围计算公式表示为：
[0085][0086]
其中，v
fsr
为电压量化范围最大值，n为模数转换电路的位数，ci为各个位对应的电容，c
adjust.tot
为调节电容阵列接入到电路中的电容值，cu为单位电容，vref为参考电压。
[0087]
示例性的，为了更好地说明本技术的实现方式，以基于共模电平不变的全差分逐次逼近型模数转换电路为例，详细描述实现该模数转换电路的一种设计方法，包括：
[0088]
s1，在模数转换电路的电容阵列结构中增加调节电容阵列，如图5所示，其中，调节电容阵列的结构图如图7所示，示例性的，由于本实施例设定了4个不同挡位的电压量化范围调节信号，因此，每一端(p端或n端)的调节电容模块设置为3个，分别为c
adjust
《2》、c
adjust
《1》和c
adjust
《0》，固定电容模块设置为1个，设为c
adjust.fixed
。各个调节电容模块包括多个子模块cadjust_cell_v2，固定电容模块包括多个子模块cadjust_cell_v1。
[0089]
参见图8，子模块cadjust_cell_v1中的电容是固定接入电容阵列中的，其结构如图8中的(a)图所示。子模块cadjust_cell_v2中的电容是受量化范围调节信号sel_x《2:0》和sel_b《2:0》控制选通接入的，其结构如图8中的(b)图所示。子模块cadjust_cell_v1和cadjust_cell_v2的中一个电容c
adjust
一端接vref，另一个电容c
adjust
一端接gnd，保证这两部分电容中间相连节点电压为vref/2，不会影响该模数转换电路逐次逼近过程的共模电平大小。
[0090]
其中，调节电容模块c
adjust
《2》、c
adjust
《1》、c
adjust
《0》和固定电容模块c
adjust.fixed
的电容值待定，即各个调节电容模块含有的子模块cadjust_cell_v2的个数和固定电容模块含有的子模块cadjust_cell_v2未确定。
[0091]
s2，仿真确认子模块cadjust_cell_v2中电容c
adjust
不接入电容阵列时，等效单位
电容所引入的额外电容cu.p。
[0092]
将图8中的(b)图中开关管nm1、开关管pm1漏极到地的等效寄生电容分别记为cp1、cp2，如图9中的(a)图所示，当量化范围调节信号使能开关管nm1和开关管pm1导通时，开关管nm1漏极电压被拉低至gnd，开关管pm1管漏极被充电到vref，从cplus端到交流地总电容大小为2c
adjust
；当量化范围调节信号使能开关管nm1和开关管pm1均关断时，子模块cadjust_cell_v2的等效电路如图9中的(b)图所示，从cplus端到交流地的总电容大小为cadjust||cp1+cadjust||cp2，该电容就是该子模块cadjust_cell_v2未接入电路所引入电路的额外电容。
[0093]
为了保证不同挡位的电压量化范围调节中单位电容cu驱动开关管的驱动能力一样，需设置开关管nm1和开关管pm1的沟道宽长比w/l随电容c
adjust
大小等比例增加，以使得子模块cadjust_cell_v2在不接入电容阵列时，等效到地的单位电容寄生电容大小一样。当然，也可以通过先选定特定沟道宽长比的开关管，然后仿真验证子模块cadjust_cell_v2不接入电路时引入的额外电容值，并通过步骤s2～s3推导得到电容c
adjust
的电容值。
[0094]
设子模块cadjust_cell_v2中的电容c
adjust
＝n*cu，n是大于等于零的数，cu为单位电容。当子模块cadjust_cell_v2被控制为不接入电容阵列时，从cplus端到地的等效电容为cp，等效的单位电容不导通时引入的额外电容为cu.p＝[cp/(2*n*cu)]*cu。
[0095]
s3，计算各调节电容模块和固定电容模块的电容值，包括：
[0096]
s31，在考虑子模块cadjust_cell_v2未接入电路时所引入电路的额外电容cu.p的情况下，假设各调节电容模块和固定电容模块的电容值分别为:
[0097]cadjust.fixed
＝x
·cu
[0098]cadjust
《0》＝y
·cu
[0099]cadjust
《1》＝z
·cu
[0100]cadjust
《2》＝w
·cu
[0101]
考虑到电压量化范围越大，调节电容阵列中所需的总电容值越小。固定电容模块c
adjust.fixed
是调节电容阵列中固定接入电路的电容，大小为x*cu。设置量化范围调节信号fs《1:0》＝11时，该模数转换电路的电压量化范围处于最高档，此时，调节电容模块c
adjust
《2》、c
adjust
《1》和c
adjust
《0》中的开关管均关断，该最高挡位对应的调节电容阵列接入到电路中的电容值为x*cu+(y+z+w)*cu.p；设置量化范围调节信号fs《1:0》＝10时，该模数转换电路的电压量化范围处于次高档，调节电容模块c
adjust
《0》中的开关管导通，调节电容模块c
adjust
《2》和调节电容模块c
adjust
《2》中的开关管均关断，该次高档位下对应的调节电容阵列接入到电路中的电容值为(x+y)*cu+(z+w)*cu.p；当量化范围调节信号fs《1:0》＝01时，该模数转换电路的电压量化范围处于次低档，并设置调节电容模块c
adjust
《1》和c
adjust
《0》中的开关管均关断，调节电容模块cadjust《2》中的开关管导通，该次低档位下对应的调节电容阵列接入到电路中的电容值为(x+y+z)*cu+w*cu.p；当量化范围调节信号fs《1:0》＝00时，该模数转换电路的电压量化范围处于最低档，调节电容模块c
adjust
《2》、c
adjust
《1》和c
adjust
《0》中的开关管均导通，该最高挡位对应的调节电容阵列接入到电路中的电容值为(x+y+z+w)*cu。
[0102]
结合温度计码控制信号sel_x《2:0》及sel_b《2:0》，各档位对应的调节电容阵列接入到电路中的电容值c
adjust.tot
的统一表达式可写为：
[0103]cadjust.tot
＝[sel_x《2》
·
w+sel_x《1》
·
z+sel_x《0》
·
y+x]
·cu
+
[0104]
[sel_b《2》
·
w+sel_b《1》
·
z+sel_b《0》
·
y]
·cu.p
。
[0105]
进一步，得到二进制量化范围调节信号fs《1:0》与二进制转温度计码编码调节信号sel_x《2:0》/sel_b《2:0》之间的对应关系，如表1所示。
[0106]
表1：
[0107]
fs《1:0》sel_x《2:0》sel_b《2:0》00111000010111001000111011000111
[0108]
已知电压量化范围设计要求从小到大分别为v
fsr1
、v
fsr2
、v
fsr3
及v
fsr4
，电源电压vdd，分辨率n，单位电容cu及子模块cadjust_cell_v2中电容c
adjust
不接入电容阵列引入的额外电容cu.p。由上面分析可得，列出设计所需的各调节电容模块和固定电容模块的电容值的四元一次方程组，如下：
[0109][0110]
其中，n为模数转换电路的位数，cu.p为等效的单位电容不导通时引入的额外电容。
[0111]
联立解得x，y，z及w。
[0112]
由于子模块cadjust_cell_v1和cadjust_cell_v2中开关管均导通时分别引入电路中的电容都为2*cadjust＝2*n*cu，因此，可以计算得到固定电容模块cadjust.fixed中的子模块cadjust_cell_v1的个数为：
[0113][0114]
同样，也可以计算得到调节电容模块c
adjust
《2》、c
adjust
《1》和c
adjust
《0》所需的子模
块cadjust_cell_v2的个数为：
[0115][0116][0117][0118]
其中，和分别为调节电容模块c
adjust
《2》、c
adjust
《1》和c
adjust
《0》所需的子模块cadjust_cell_v2的个数。
[0119]
在确定各调节电容模块和固定电容模块所分别含有的子模块cadjust_cell_v2和cadjust_cell_v1的个数的基础上，就可以确定各调节电容模块和固定电容模块所需的电容值。
[0120]
为了更好地说明本实施例的有益效果，本技术示例性给出了设计仿真实例。该设计仿真实例中，采用simc28nm工艺，设计实现基于共模电平不变的8位逐次逼近式模数转换电路。为了对比说明本技术实施例的模数转换电路的性能优势，基于共模电平不变的8位逐次逼近式模数转换电路量化范围调节电路采用两种设计方案：方案(1)：最大量化范围为900mv，固定唯一；方案(2)：采用本实施例的模数转换电路，实现4档电压量化范围分别设计为900mv，757.26mv，637.14mv，536.1mv。
[0121]
在实际电路设计中电容及开关管的沟通宽长比设置如下：cu＝1.648ff，n＝1，c
adjust
＝cu，(w/l)n＝80nm/40nm，(w/l)p＝160nm/40nm。经仿真确认，在cadjust_cell_v2模块中开关管关断情况下，从cplus端到地等效电容值为cp＝0.54384ff，归一化的单位电容不接入电路时引入额外电容为cu.p＝0.165*cu。根据上述提到的模数转换电路的设计方法，计算出各调节电容模块和固定电容模块中单位电容的个数分别为x＝186.5，y＝115.2，z＝252.2，w＝47.4。考虑到前后级电路及版图走线等引入额外电容，将各位电容个数可以适当地减小为x＝160，y＝114，z＝250，w＝46，进一步计算可得：
[0122][0123][0124][0125][0126]
采用单音正弦波为测试输入信号，将模数转换电路量化输出数字信号经过理想的数模转换器转换成模拟dout信号，观察其时域波形并做fft分析模数转换电路性能。输入测试信号频率为26.5mhz，模数转换电路的采样频率为64mhz。为了方便对比两种方案的模数转换电路性能，以方案(2)中四挡不同最大量化范围等效到模数转换电路输入信号幅度分别为134.0mv，189.3mv，159.3mv，225.0mv作为测试输入信号幅度。
[0127]
如图10所示，图10上面的曲线图为输入信号波形图，v1表示输入信号最大电压值，下面的曲线为输出信号曲线图，v2表示输出信号，time表示时间，v1`表示在输出信号在v1位置处的电压值，f1、f2、f3和f4表示四个不同的输入信号，f1`、f2`、f3`和f4`分别为f1、f2、f3、f4输入到模数转换电路后输出的信号，图中m6:925ns 662.2mv和m7:835.4ns 35.29mv均为本次测试做的一个标记，m6和m7代表标记编号，925ns和662.2mv代表标记m6和对应的横、纵坐标的取值，835.4ns和35.29mv代表标记m7对应的横、纵坐标的取值。本次仿真模拟了4个不同的输入信号，方案(1)中随着输入信号幅度增大至225mv，输出信号是逐渐接近满摆幅，具体的，如图10所示，输入的4个模拟信号在方案(1)中均是在时间time接近于0.96us时，(图10中的标记v1位置)输出信号才接近满摆幅。
[0128]
在方案(2)中，输入的4个模拟信号在方案(2)中不同挡位量化范围的调整下，瞬态输出信号波形都接近满摆幅，如图11中所示，图11中上面的曲线图为输入信号波形图，v1表示输入信号最大电压值，下面的曲线为输出信号曲线图，v2表示输出信号，time表示时间，v1`表示在输出信号在v1位置处的电压值，f1、f2、f3和f4表示四个不同的输入信号，f1`、f2`、f3`和f4`分别为f1、f2、f3和f4输入到模数转换电路后输出的信号，图中m27:928ns 871.8.2mv和m28:1.023ns 38.82mv均为本次测试做的一个标记，m27和m28代表标记编号，928ns和871.8.2mv代表标记m27和对应的横、纵坐标的取值，1.023ns和38.82mv代表标记m28对应的横、纵坐标的取值。(图11中输出信号f1`、f2`、f3`和f4`的输出信号电压值几乎都相同，为此不对f1`、f2`、f3`和f4`的输出信号图形作区分标记)，方案(2)在时间time接近于0.88us时(图11中的标记v1位置)，输出信号接近满摆幅。
[0129]
如图12所示是两种方案输出的有效位数enob的对比，实线对应是方案(1)，原点对应是方案(2)。可知，在模数转换电路输入信号幅度分别为134.0mv，189.3mv，159.3mv及225.0mv情况下，方案(2)模数转换电路性能要比方案(1)的高0.692bit，0.353bit，0.404bit及-0.14bit，可知，方案(2)模数转换电路性能都要整体要好于方案(1)。
[0130]
本技术第二实施例提供一种芯片，所述芯片包括如上述第一实施例提供的模数转换电路。
[0131]
本实施例提供的芯片包括模数转换电路，所述模数转换电路包括电容阵列，所述电容阵列包括采样电容阵列和调节电容阵列，本实施例通过在模数转换电路的电容阵列结构中增加所述调节电容阵列，并根据量化范围调节控制信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块，从而使得接入到所述电容阵列中的电容值可变，因此能够提供一个电压量化范围可变的模数转换电路，从而使得模数转换电路的电压量化范围能够根据输入信号电压值进行适应性调整，进而优化了模数转换电路输出的量化性能。
[0132]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0133]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种模数转换电路，其特征在于，包括电容阵列、比较模块和逻辑电路；所述电容阵列包括采样电容阵列和调节电容阵列；所述采样电容阵列，用于对输入的模拟信号进行采样和量化；所述比较模块，与所述电容阵列连接，所述比较模块用于根据所述采样电容阵列输出的采样和量化结果输出比较结果；所述逻辑电路，分别与所述电容阵列和所述比较模块连接，用于根据所述比较模块输出的比较结果输出数字信号；所述调节电容阵列，与所述采样电容阵列连接，所述调节电容阵列包括调节电容模块，所述调节电容阵列用于根据接收到的量化范围调节信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块。2.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述调节电容模块包括调节电容单元和开关单元；所述调节电容阵列，用于根据所述量化范围调节信号控制所述开关单元的开关状态，以调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块。3.如权利要求1或2所述的模数转换电路，其特征在于，所述调节电容阵列包括固定电容模块和调节电容模块；所述固定电容模块和所述调节电容模块并联。4.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括调节信号生成模块；所述调节信号生成模块，与所述调节电容阵列连接，用于根据输入的模拟信号的电压最大值确定对应的电压量化范围，以根据所述对应的电压量化范围生成对应的量化范围调节信号。5.如权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于，所述量化范围调节信号被配置为二进制数字控制信号，则所述模数转换电路还包括温度计码转换电路；所述温度计码转换电路，与所述调节信号生成模块连接，所述温度计码转换电路用于将所述量化范围调节信号转换为温度计码控制信号，以根据转换成的所述温度计码控制信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块。6.如权利要求2或3所述的模数转换电路，其特征在于，所述开关单元包括开关管。7.如权利要求6所述的模数转换电路，其特征在于，所述开关单元的沟道宽长比与所述调节电容单元的电容值成正相关关系。8.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述调节电容阵列包括多个调节电容模块，多个所述调节电容模块并联。9.如权利要求2或3所述的模数转换电路，其特征在于，所述调节电容单元包括多个调节电容，多个所述调节电容并联。10.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的模数转换电路。

技术总结
本申请公开了一种模数转换电路和芯片，所述模数转换电路包括电容阵列，所述电容阵列包括采样电容阵列和调节电容阵列，本申请通过在模数转换电路的电容阵列结构中增加所述调节电容阵列，并根据量化范围调节控制信号调整接入到所述电容阵列中的所述调节电容模块，从而使得接入到所述电容阵列中的电容值可变，因此能够提供一个电压量化范围可变的模数转换电路，从而使得模数转换电路的电压量化范围能够根据输入信号电压值进行适应性调整，进而优化了模数转换电路输出的量化性能。相应地，本申请还公开了一种芯片。请还公开了一种芯片。请还公开了一种芯片。


技术研发人员：王江涛 郑卫国 骆成杰 谢成伟 孟繁智 胡鉴中 陈思衡
受保护的技术使用者：泰斗微电子科技有限公司
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/21