[发明专利]一种低驱动电流需求的模数转换器

说明书

在生物医疗系统中，需要模数转换器对采集到的生物电信号进行处理。在速度、精度、面积和功耗等方面综合考虑，SAR ADC相比于其他结构的ADC有明显优势。传统SAR ADC的精度受限于采样噪声、比较器噪声等多方面影响，采用过采样技术，能够使其在精度方面表现更加优秀。对SAR ADC进行时序上的调整，还能有效降低ADC对前级电路驱动能力的要求，更适合在生物医疗系统中的应用。基于上述优点，本发明提出了一种低驱动电流需求的模数转换器，采用过采样技术，有效提高了ADC的精度，结合特殊的电路时序设计，降低了ADC对前级电路驱动能力的要求，提高了模数转换器的性能。

技术领域

本发明是一种低驱动电流需求的低功耗逐次逼近型(SAR)模数转换器，具有中等精度、低功耗、对前级电路低驱动能力要求的特点，适合应用于生物医疗系统当中。

背景技术

近几年，对生物医疗系统的需求急剧增加，各种便携式生物信号采集系统、可穿戴或可植入式生物医疗设备发展迅速，不断融入到人们的生活当中。在生物医疗系统中，采集到的生物信号在大部分时间都是缓慢变化的信号，因此需要选取适合的模数转换器对采集到的生物电信号进行处理。在速度、精度、面积和功耗等方面综合考虑，SAR ADC相比于其他结构ADC有明显的优势，更加适合应用于生物电信号处理系统中。

逐次逼近型模数转换器的系统结构主要包含四个模块：采样保持电路、电容阵列、比较器和控制逻辑。采样保持电路大多基于栅压自举电路设计，能够将采样管栅极电压提升至高于电源电压，从而降低采样开关的导通电阻并且能够实现轨到轨的采样。电容阵列在采样和保持时作为采样电容，在量化过程中，通过翻转相应的电容将数字码字转换成模拟电压。比较器用于比较电容阵列上极板电压大小，得出比较结果后，控制电容阵列进行翻转。控制逻辑用于产生采样信号、比较器工作和复位信号、电容阵列翻转信号，保证整个SARADC能够正常有序工作。

发明内容

本发明提出了一种降低ADC对前级电路驱动能力要求的方法，结合过采样技术，提高了模数转换器的精度并且降低了对输入信号驱动能力的要求，解决了模数转换器对输入信号高驱动能力需求的问题。

本发明提出了一种低驱动电流需求的模数转换器，采用逐次逼近型架构，整体电路由五个模块构成：采样保持电路、电容阵列、比较器、数字逻辑电路和时钟电路。

如图1所示是本发明的整体电路图，外部输入的连续时间信号通过采样保持电路转换为离散时间信号，采样完成后，采样得到的电压保持在电容阵列的上极板上，在时钟信号的控制下，比较器开始比较两端电容上极板电压的大小，得到的比较结果通过逻辑电路产生控制信号，控制电容阵列进行翻转，电容翻转完成后比较器进行下一次比较，重复这个过程直到量化完成。

如图2所示是本发明的控制时序图，整体时序采用异步工作方式。采样信号下降沿到来时，采样阶段结束，量化阶段开始。在量化阶段，采样信号下降沿触发比较器工作信号上升沿产生，比较器开始工作，完成第一次比较，数字逻辑电路将会锁存比较器比较结果，产生控制信号控制电容阵列的相应电容进行翻转。根据比较结果，比较器自循环时钟电路将会把比较器工作信号拉低，比较器进行复位。在电容阵列完成翻转后，比较器自循环时钟电路将会把比较器工作信号拉高，触发下一次比较的开始，循环这个过程直到量化阶段结束。数字逻辑电路最后一位锁存完成信号上升沿到来时，表明量化已完成，此时将本次量化得到的数字码字存储在寄存器中，之后进行各个模块的复位操作。当复位完成后，触发采样信号的上升沿，下一次采样可以开始，采样-量化-复位-采样过程循环执行，即可完成输入模拟信号的模数转换。

如图3所示是本发明的输入信号和电容阵列上极板电压变化图。由于生物信号大部分时间都是缓慢变化的信号，在过采样条件下，采样信号频率远高于输入信号频率，因此模数转换器两次采样点之间的电压差变化较小，从而可以在第一次量化结束时将电容上极板的电压复位到第一次采样的电压上，在第二次采样开始时，仅需要前级电路提供较小的驱动电流，就可以实现电容上极板电压跟随输入信号变化。通过这种方式，极大的减小了模数转换器对前级电路的驱动能力的要求，更适合应用于生物医疗系统当中。