本發(fā)明涉及一種單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)也涉及采用該單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成電路芯片及相應(yīng)的通信終端，屬于模擬集成電路技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用在于將傳感器感知到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理電路進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。它是連接模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵電子電路之一，被廣泛應(yīng)用在各種模擬信號(hào)傳感器中。

單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高且具有中等精度和中等轉(zhuǎn)換速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在多傳感器并行傳感系統(tǒng)中，例如圖像傳感器芯片等?，F(xiàn)有技術(shù)中提供的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)通常如圖1所示，其主要由比較器、脈沖鎖存器、寄存器、計(jì)數(shù)器和斜坡發(fā)生器等電路組成。它的工作過(guò)程如下：首先采樣輸入的模擬信號(hào)，同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，比較器對(duì)斜坡發(fā)生器輸出的斜坡信號(hào)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)斜坡信號(hào)大于輸入信號(hào)時(shí)，比較器輸出將會(huì)出現(xiàn)上升沿翻轉(zhuǎn)，脈沖鎖存器將此上升沿轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖，這個(gè)脈沖控制寄存器將此時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字編碼進(jìn)行保存，該數(shù)字編碼即為單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入信號(hào)的量化結(jié)果。

在傳統(tǒng)的圖像傳感器芯片中，斜坡發(fā)生器和計(jì)數(shù)器電路屬于列共享電路，而比較器、脈沖鎖存器和寄存器是每列獨(dú)立的電路。因此，比較器和斜坡發(fā)生器共同決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性度。在多模擬量模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，斜坡發(fā)生器可以共用，這樣大幅降低了模數(shù)轉(zhuǎn)換的非一致性，例如當(dāng)單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器充當(dāng)圖像傳感器中列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)。在這種情況下，比較器的性能成為影響模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果一致性的關(guān)鍵因素。

在現(xiàn)有技術(shù)中，消除這一影響的主要辦法就是單純提升比較器的性能，例如提升比較器的增益和帶寬等，但這樣勢(shì)必提升了比較器的復(fù)雜度以及對(duì)芯片面積和功耗的消耗。

在申請(qǐng)?zhí)枮?01610402539.9的中國(guó)專利申請(qǐng)中，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所提供了一種具有誤差自動(dòng)校正的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路。該電路包含檢測(cè)子系統(tǒng)和模數(shù)量化子系統(tǒng)。檢測(cè)子系統(tǒng)包括可調(diào)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、比較器、開(kāi)關(guān)電容減法電路、循環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、譯碼器。利用可調(diào)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、斜坡信號(hào)和比較器直接實(shí)現(xiàn)對(duì)于誤差方向的判斷，進(jìn)而確定斜坡起始信號(hào)的調(diào)整方向；通過(guò)開(kāi)關(guān)電容減法電路、循環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和譯碼器直接量化誤差的大小，從而確定斜坡起始信號(hào)需要被調(diào)整的值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問(wèn)題在于提供一種具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問(wèn)題在于提供一種采用該單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成電路芯片及相應(yīng)的通信終端。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，提供一種具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它包括兩個(gè)采樣開(kāi)關(guān)、兩個(gè)采樣電容、差分比較器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、斜坡發(fā)生器和比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)；其中，

第一采樣開(kāi)關(guān)連接在所述單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端和第一采樣電容的第一極板之間，第二采樣開(kāi)關(guān)連接在所述單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高基準(zhǔn)電壓和第一采樣電容的第一極板之間；

所述斜坡發(fā)生器的斜坡信號(hào)輸出端連接第二采樣電容的第一極板；

第一采樣電容和第二采樣電容的第二極板分別連接所述差分比較器的負(fù)、正輸入端；所述差分比較器的負(fù)、正輸入端分別通過(guò)所述比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)連接到差分比較器的正、負(fù)輸出端；同時(shí)，所述差分比較器的正、負(fù)輸出端分別連接所述鎖存器的正、負(fù)輸入端；

所述鎖存器的輸出信號(hào)連接所述計(jì)數(shù)器的使能端，所述計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字信號(hào)為所述單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

其中較優(yōu)地，高基準(zhǔn)電壓和低基準(zhǔn)電壓分別輸入到所述斜坡發(fā)生器中，作為斜坡信號(hào)的最大值和最小值。

其中較優(yōu)地，在第一次采樣和量化階段中，第二采樣開(kāi)關(guān)和比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，采樣電容完成對(duì)基準(zhǔn)電壓和斜坡發(fā)生器初始電壓的采樣，比較器完成復(fù)位操作；

所述比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，所述比較器開(kāi)始工作，第二采樣開(kāi)關(guān)仍然閉合，所述斜坡發(fā)生器的輸出先跳變?nèi)缓笠怨潭ㄐ甭氏蛳伦兓?，所述?jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)直到所述比較器出現(xiàn)跳變；

所述鎖存器將所述跳變鎖存后控制所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

其中較優(yōu)地，在第二次采樣和量化階段中，第一采樣開(kāi)關(guān)關(guān)斷，第二采樣開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)第一采樣電容的左極板電壓變?yōu)閂_in，右極板電壓向下變化V_refh－V_in；與此同時(shí)，所述斜坡發(fā)生器的輸出電壓先跳變回V_refh，待穩(wěn)定一段時(shí)間后開(kāi)始以同第一次采樣和量化階段中相同的速率向下變化；所述計(jì)數(shù)器開(kāi)始向上計(jì)數(shù)，當(dāng)所述斜坡發(fā)生器的輸出電壓也變化V_refh－V_in時(shí)，所述比較器再次出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)；

所述鎖存器記錄所述翻轉(zhuǎn)并控制所述計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)；其中，所述V_in是模擬輸入信號(hào)，所述V_refh是高基準(zhǔn)電壓。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第二方面，提供一種集成電路芯片，其中包括有上述的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第三方面，提供一種通信終端，其中包括有上述的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)兩次信號(hào)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，消除了比較器的各種非理想因素所產(chǎn)生的偏差，提升了單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一致性，并降低了對(duì)比較器性能參數(shù)的要求。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所提供的具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所提供的具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制時(shí)序圖；

圖4為圖3所示控制時(shí)序的一個(gè)實(shí)施例示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)具體的說(shuō)明。

為了提升多個(gè)傳統(tǒng)單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行工作時(shí)量化結(jié)果的一致性，并降低對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中比較器的性能要求，本發(fā)明提供了一種具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它通過(guò)數(shù)字雙采樣技術(shù)大幅抑制了單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的非一致性，并降低了對(duì)比較器的性能要求。

如圖2所示，本發(fā)明所提供的新型單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要由兩個(gè)采樣開(kāi)關(guān)Φ_S1和Φ_S2、兩個(gè)采樣電容C1和C2、一個(gè)差分比較器、一個(gè)鎖存器、一個(gè)計(jì)數(shù)器、一個(gè)斜坡發(fā)生器和比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)Φ_AZ組成，它們之間的具體連接關(guān)系說(shuō)明如下：采樣開(kāi)關(guān)Φ_S1連接在單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端V_in和采樣電容C1的左極板之間；采樣開(kāi)關(guān)Φ_S2連接在單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高基準(zhǔn)電壓V_refh和采樣電容C1的左極板之間；斜坡發(fā)生器的斜坡信號(hào)輸出端連接到采樣電容C2的左極板；采樣電容C1和C2的右極板分別連接到差分比較器的負(fù)、正輸入端；差分比較器的負(fù)、正輸入端分別通過(guò)比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)Φ_AZ連接到差分比較器的正、負(fù)輸出端；同時(shí)，差分比較器的正、負(fù)輸出端分別連接到鎖存器的正、負(fù)輸入端，鎖存器的輸出信號(hào)連接到計(jì)數(shù)器的使能端(EN)，計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字信號(hào)為單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

需要說(shuō)明的是，上述采樣電容中的左極板和右極板僅為舉例說(shuō)明。由于兩者功能相同，因此左極板和右極板之間可以互換，在此就不具體說(shuō)明了。

上述單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制時(shí)序和工作過(guò)程如圖3所示。其中，高、低兩個(gè)基準(zhǔn)電壓V_refh和V_refl輸入到斜坡發(fā)生器中作為斜坡信號(hào)的最大值和最小值，即此單斜式數(shù)模轉(zhuǎn)換器的量化范圍。首先，采樣開(kāi)關(guān)Φ_S2和比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)Φ_AZ導(dǎo)通，此時(shí)斜坡發(fā)生器輸出的電壓值為V_refh－V_X，其中V_X的具體值可以根據(jù)比較器的非理想程度進(jìn)行設(shè)置，這時(shí)采樣電容完成了對(duì)基準(zhǔn)電壓和斜坡發(fā)生器初始電壓的采樣，比較器完成了復(fù)位操作；然后比較器復(fù)位開(kāi)關(guān)Φ_AZ斷開(kāi)，比較器開(kāi)始工作，此時(shí)采樣開(kāi)關(guān)Φ_S2仍然閉合，斜坡發(fā)生器的輸出先跳變至V_refh然后以固定斜率向下變化至V_refh－2V_X，該階段計(jì)數(shù)器將向下計(jì)數(shù)直到比較器出現(xiàn)跳變，鎖存器將此跳變鎖存后控制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。以上操作是單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第一次采樣和量化階段。在此階段中，計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值(記為－D1)包含了比較器的各種非理想因素導(dǎo)致的偏差，主要包括比較器的有限增益誤差、比較器的響應(yīng)延時(shí)誤差和比較器的失調(diào)電壓。

如圖4所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，假設(shè)單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高、低基準(zhǔn)電壓分別為2.5V和1.5V，斜坡發(fā)生器的初始輸出電壓值為2.4V。在第一次采樣和量化中，斜坡發(fā)生器先跳變至2.5V，然后在256個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)線性下降至2.3V。在理想情況下，斜坡發(fā)生器變化至2.4V時(shí)，比較器會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，但當(dāng)考慮比較器的各種非理想因素時(shí)，翻轉(zhuǎn)點(diǎn)可能高于2.4V也可能低于2.4V。在此階段，計(jì)數(shù)器的輸出值－D1將反應(yīng)比較器的各種非理想因素造成的計(jì)數(shù)偏差。其能接受的最大計(jì)數(shù)偏差對(duì)應(yīng)的模擬量為－0.1V～+0.1V。

接下來(lái)，單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第二次采樣和量化階段參見(jiàn)圖3所示：采樣開(kāi)關(guān)Φ_S2關(guān)斷，采樣開(kāi)關(guān)Φ_S1閉合，這時(shí)采樣電容C1的左極板電壓變?yōu)閂_in，采樣電容C1的右極板電壓向下變化V_refh－V_in。與此同時(shí)，斜坡發(fā)生器的輸出電壓先跳變回V_refh，待穩(wěn)定一段時(shí)間后開(kāi)始以同第一次采樣和量化階段時(shí)相同的速率向下變化；這時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始以計(jì)數(shù)結(jié)果－D1為起始點(diǎn)向上計(jì)數(shù)，當(dāng)斜坡發(fā)生器的輸出電壓也變化V_refh－V_in時(shí)，比較器再次出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，鎖存器記錄此翻轉(zhuǎn)并控制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出為D2，至此完成了第二次采樣和量化階段的操作。

經(jīng)過(guò)如上所述的兩次采樣和量化后，單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字碼D2即為模擬電壓V_refh－V_in的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。因?yàn)閮纱无D(zhuǎn)換中使用的是同一個(gè)比較器電路，因此比較器的非理想性對(duì)兩次比較結(jié)果產(chǎn)生的影響是一樣的，但是因?yàn)閮纱文?shù)轉(zhuǎn)換中計(jì)數(shù)器一次是向下計(jì)數(shù)，一次是向上計(jì)數(shù)，因此比較器的各種非理想因素所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)誤差被抵消掉，所以最終轉(zhuǎn)換結(jié)果不受比較器的有限增益、響應(yīng)延時(shí)和失調(diào)電壓影響。因?yàn)閂_refh是已知的基準(zhǔn)電壓，因此可從D2中計(jì)算出模擬輸入信號(hào)V_in對(duì)應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換值。

在圖4所示的實(shí)施例中，在第二次采樣和量化階段，斜坡發(fā)生器首先恢復(fù)至2.5V，然后在1280個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)線性下降至1.5V。因此在第二次采樣和量化階段計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字碼D2為本發(fā)明所提供的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果，由此完成了對(duì)輸入模擬信號(hào)的10－bit量化處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)兩次信號(hào)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，消除了比較器的各種非理想因素所產(chǎn)生的偏差，提升了單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一致性，并降低了對(duì)比較器性能參數(shù)的要求。

上述實(shí)施例中所示出的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以被用在芯片(例如圖像傳感器芯片)中。對(duì)該圖像傳感器芯片中的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，在此就不再一一詳述了。

另外，上述單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器還可以被用在通信終端中，作為模擬信號(hào)傳感器的重要組成部分。這里所說(shuō)的通信終端指可以在移動(dòng)環(huán)境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多種通信制式的計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括但不限于移動(dòng)電話、筆記本電腦、平板電腦、車載電腦等。此外，該單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器也適用于其他模擬信號(hào)傳感器應(yīng)用的場(chǎng)合，例如各種類型的工業(yè)機(jī)器人等，在此就不一一詳述了。

上面對(duì)本發(fā)明所提供的具有數(shù)字雙采樣功能的單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器、芯片及終端進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見(jiàn)的改動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。