逐次逼近型模數轉換器及其自檢測方法與流程

本發明涉及逐次逼近型模數轉換器(successiveapproximationregisteranalogtodigitalconverter)及其自檢測方法。

背景技術：

模數轉換器(analogtodigitalconverter)輸入模擬信號，經過一系列處理后輸出數字信號，輸出的數字信號可被供給至用于各種領域的芯片中。根據應用領域的不同，一個芯片可包括一個模數轉換器，也可以包括多個模數轉換器。在包括多個模數轉換器的情況下，需要可在低電力下工作的模數轉換器，因此具備這種特性的逐次逼近型模數轉換器備受關注。逐次逼近型模數轉換器具備反復利用一個比較器的結構，與流水線型(pipeline)模數轉換器等其他類型的模數轉換器相比，只需要簡單的模擬電路，因此能夠實現低電力的模數轉換器。

通常，檢測模數轉換器是否有故障時，使用向模數轉換器輸入模擬信號后將其變換成數字信號并讀取的方法，這種方法需要由外部裝置產生模擬信號，并且需要通過焊盤(pad)向模數轉換器輸入該模擬信號。因此，這種檢測模數轉換器的方法耗時較長，且費用也高。

技術實現要素：

本發明為了解決上述的問題而完成，目的在于，提供一種在芯片內部內置進行自檢測的電路，從而無需外部裝置即可進行自檢測的逐次逼近型模數轉換器及其自檢測方法。

為了達到上述目的，本發明的逐次逼近型模數轉換器包括：基準信號產生器，產生基準電壓；數模轉換器，接收上述基準信號產生器產生的基準電壓，基于輸入的第一模擬信號、第二模擬信號和上述基準電壓，輸出第一電平電壓和第二電平電壓；比較器，比較上述第一電平電壓和第二電平電壓，輸出比較信號；和數字邏輯，基于上述比較信號，輸出數字數據，該數字邏輯包括：數據產生器，在該逐次逼近型模數轉換器進行自檢測時，產生數據來代替上述第一模擬信號和第二模擬信號的輸入。

優選地，上述數據產生器產生的上述數據包括邏輯相反的一對數據。

優選地，上述基準電壓包括第一基準電壓、第二基準電壓和第三基準電壓。

優選地，上述數模轉換器包括：第一變換部，包括對上述第一模擬信號進行采樣的第一電容器陣列；和第二變換部，包括對上述第二模擬信號進行采樣的第二電容器陣列，上述第一電容器陣列和第二電容器陣列中，各電容器的一端輸入上述第一模擬信號或第二模擬信號，另一端輸入上述第三基準電壓。

優選地，上述第一變換部還包括：第一開關陣列，將上述第一模擬信號供給到上述第一電容器陣列；第二開關陣列，將上述第一基準電壓和第二基準電壓中的一個供給到上述第一電容器陣列；以及第三開關陣列，進行自檢測時，基于來自上述數據產生器的數據將上述第一基準電壓和第二基準電壓中的一個供給到上述第一電容器陣列，上述第二變換部包括：第四開關陣列，將上述第二模擬信號供給到上述第二電容器陣列；第五開關陣列，將上述第一基準電壓和第二基準電壓中的一個供給到上述第二電容器陣列；以及第六開關陣列，進行自檢測時，基于來自上述數據產生器的數據將上述第一基準電壓和第二基準電壓中的一個供給到上述第一電容器陣列，進行自檢測時，斷開上述第一開關陣列和第四開關陣列，接通上述第三開關陣列和第六開關陣列。

優選地，上述第三開關陣列和第六開關陣列中的各開關元件通過兩個單元開關的串聯連接構成。

優選地，本發明的逐次逼近型模數轉換器，還包括：時鐘產生器，產生時鐘信號，并將該時鐘信號輸入至數字邏輯，上述數字邏輯基于該時鐘信號，產生采樣時鐘、控制上述數模轉換器的控制信號和輸入至上述比較器的變換時鐘。

優選地，上述第一基準電壓等于或略大于接地電壓，上述第二基準電壓等于或略小于電源電壓，上述第三基準電壓是上述第一基準電壓與上述第二基準電壓的平均值。

本發明還提供逐次逼近型模數轉換器的自檢測方法，該逐次逼近型模數轉換器包括基準信號產生器、數模轉換器、比較器和具有數據產生器的數字邏輯，上述自檢測方法包括：上述數據產生器產生第一組數據和第二組數據的步驟；上述基準信號產生器產生第一基準電壓、第二基準電壓和第三基準電壓的步驟；上述數模轉換器基于上述第一組數據和第二組數據，輸入上述第一基準信號和第二基準信號中的一個，輸出第一電平電壓和第二電平電壓的步驟；上述比較器比較上述第一電平電壓和第二電平電壓，輸出比較信號的步驟；上述數字邏輯基于上述比較信號執行逐次逼近后輸出數據的步驟；和判定上述數字邏輯輸出的數據和上述數據產生器產生的第一組數據是否一致的步驟。

優選地，上述第一組數據和第二組數據的邏輯相反。

根據本發明，由于在逐次逼近型模數轉換器中內置了用于自檢測故障的檢測模塊，因此能夠在沒有來自外部的模擬信號的輸入的情況下進行模數轉換器的自檢測，從而能夠減少自檢測的時間和費用。

附圖說明

圖1是表示本發明的逐次逼近型模數轉換器的框圖。

圖2是表示本發明的數模轉換器在工作模式下的電路結構示意圖。

圖3是表示本發明的逐次逼近型模數轉換器的自檢測特性的框圖。

圖4是表示本發明的數模轉換器在自檢測模式下的電路結構示意圖。

圖5是表示本發明的數模轉換器進行自檢測的其他電路結構示意圖。

圖6是表示本發明的逐次逼近型模數轉換器的自檢測動作的順序圖。

具體實施方式

在以下說明中，特定的結構及說明僅僅是為了更容易理解本發明而進行的說明，本發明能夠以各種方式實施，并不限于本說明書記載的方式。另外，在不超出本發明的技術思想的范圍內，可對本發明實施各種變更、改良等，這些變更、改良均包含在本發明的保護范圍內。

此外，在以下說明中使用的“第一”、“第二”等用語可說明具體的構成要素，但是這些用語并不限定這些構成要素。這些用語僅用于區分各構成要素。另外，本說明書使用的某一構成要素與另一構成要素連接或相連，可以表示兩者的直接連接，也可以表示兩者的間接連接。

以下，參照附圖來說明本發明的具體實施方式。

圖1是表示本發明的逐次逼近型模數轉換器的框圖。如圖1所示，n比特的逐次逼近型模數轉換器10包括基準信號產生器100、時鐘產生器200、數模轉換器(dac)300、比較器400和數字邏輯500，數字邏輯500包括用于逐次逼近型模數轉換器10的自檢測的數據產生器510，關于數據產生器510將后述。逐次逼近型模數轉換器10可輸入單端信號(single-endedsignal)，也可以輸入差分信號(differentialsignal)。通常，為了使逐次逼近型模數轉換器對共模噪聲不敏感，使用差分信號。在本實施方式中，以輸入差分信號為例進行說明。

逐次逼近型模數轉換器10的工作原理如下：由最高位的比特開始，數字邏輯500設最高位比特為1，通過比較器200比較數模轉換器300的輸出和輸入電壓，如果輸入電壓較大，則最高位比特是1，否則是0；然后設下一個最高位的比特為1，再進行比較，如果輸入電壓較大，則此比特為1，否則為0；依此類推到最后的比特。

基準信號產生器100產生第一基準電壓vrefb、第二基準電壓vreft和第三基準電壓vrefm。第一基準電壓vrefb可以是接地電壓vss，也可以是比接地電壓vss大的電壓，第二基準電壓vreft可以是電源電壓vdd，也可以是比電源電壓vdd小的電壓。例如，電源電壓vdd＝1.8v、接地電壓vss＝0時，可將第一基準電壓vrefb設為0.3v、第二基準電壓vreft設為1.5v。由于電源電壓的噪聲比較大，因此通過基準信號產生器100產生穩定的第一至第三基準電壓。當然，基準電壓也可以直接使用電源電壓vdd和接地電壓vss。

第一基準電壓vrefb、第二基準電壓vreft和第三基準電壓vrefm滿足以下關系。

時鐘產生器200產生時鐘信號，并將所產生的時鐘信號輸出至數字邏輯500。數字邏輯500基于時鐘產生器200產生的時鐘信號，產生采樣時鐘clks、變換時鐘clkc、控制信號ctrl。

在通常的工作模式下，在采樣期間，數模轉換器300輸入第一模擬輸入電壓vinp和第二模擬輸入電壓vinn，基于采樣時鐘clks，對第一模擬輸入電壓vinp和第二模擬輸入電壓vinn進行采樣。并且，數模轉換器300基于從基準信號產生器100輸入的第一基準電壓vrefb與第二基準電壓vreft，向比較器400輸出第一電平電壓vp1和第二電平電壓vn1。

比較器400基于從數字邏輯500輸入的變換時鐘clkc，比較第一電平電壓vp1和第二電平電壓vn1。數字邏輯500根據比較器400的比較結果，依次將控制信號ctrl變換成高電平或低電平，從而獲得n比特的數字信號輸出。

圖2是表示圖1的數模轉換器300在工作模式下的電路結構示意圖，示出了8比特(即n＝8)的例子。

如圖2所示，數模轉換器300包括第一變換部310和第二變換部320，第一變換部310包括第一電容陣列311(c11～c18和cd1)、第一開關陣列312(ss10～ss18)、第二開關陣列313(sc11～sc18)。同樣地，第二變換部320包括第二電容陣列321(c21～c28和cd2)、第四開關陣列322(ss20～ss28)、第五開關陣列323(sc21～sc2n)。另外，如圖4所示，第一變換部310還包括用于逐次逼近型模數轉換器10的自檢測的第三開關陣列312′、314(ss′10～ss′18和sd11～sd1n)，第二變換部320還包括用于逐次逼近型模數轉換器10的自檢測的第六開關陣列322′、324(ss′20～ss′28和sd21～sd2n)，關于第三開關陣列和第六開關陣列將后述。這里，第一變換部310和第二變換部320的結構相似，動作也相似。第一變換部310和第二變換部320完成采樣并進行處理后分別輸出第一電平電壓vp1、第二電平電壓vn1。

具體而言，如圖2所示，第一電容陣列311包括n個(在圖2中n＝8)電容c11～c1n和第一電容cd1。若將電容對應的比特設為j(j是1～n的整數)，則對應于j比特的電容的容量是2^j-1c。即，對應于最低位的比特(lsb)(j＝1)的電容的容量是2℃(＝c)，對應于最高位的比特(msb)(j＝n)的電容的容量是2^n-1c(在圖2中c18的容量是128c)。第一電容cd1的容量與對應于最低位電容的容量相同，在輸入第一模擬輸入電壓vinp時，通過第一使能開關sstart1，第一電容cd1被連接至第一基準電壓vrefb，通過采樣開關ss10輸入第一模擬輸入電壓vinp。

第一開關陣列312包括n個(在圖2中n＝8)采樣開關ss11～ss1n和ss10，響應于采樣時鐘clks，電容c11～c1n通過采樣開關ss11～ss1n對第一模擬輸入電壓vinp進行采樣。

第二開關陣列313包括n個(在圖2中n＝8)開關sc11～sc1n，響應于控制信號ctrl，將第一基準電壓vrefb和第二基準電壓vreft中的一個供給到第一電容器陣列311。

如圖2所示，在第一電容陣列311的與第一開關陣列312和第二開關陣列313相連的一端的相反側，通過開關scm1連接有第三基準電壓vrefm，在采樣時鐘clks為高電平時，輸入該第三基準電壓vrefm。

此外，如圖2所示，在第二變換部320中，同樣地，第二電容陣列321包括n個(在圖2中n＝8)電容c21～c2n和第二電容cd2，第四開關陣列322包括n個(在圖2中n＝8)采樣開關ss21～ss2n和ss20，第五開關陣列323包括n個(在圖2中n＝8)開關sc21～sc2n。在輸入第二模擬輸入電壓vinn時，通過第二使能開關sstart2，第二電容cd2被連接至第二基準電壓vreft，通過采樣開關ss20輸入第二模擬輸入電壓vinn。如圖2所示，在第二變換部320中，第一基準電壓vrefb、第二基準電壓vreft的連接與第一變換部310相反。另外，在第二電容陣列321的與第四開關陣列322和第五開關陣列323相連的一端的相反側，通過開關scm2連接有第三基準電壓vrefm。在第二變換部320中，除了第一基準電壓vrefb、第二基準電壓vreft的連接與第一變換部310相反以外，其他動作與第一變換部310相似，因此省略詳細說明。

圖3是表示本發明的逐次逼近型模數轉換器10的自檢測特性的框圖。在自檢測模式下，逐次逼近型模數轉換器10無需從外部輸入模擬電壓，而是在采樣期間，輸入由數字邏輯500的數據產生器510產生的一對數據din[n-1:0]和din_b[n-1:0]。這里，din[n-1:0]和din_b[n-1:0]的邏輯相反。

圖4是表示圖3中的數模轉換器300在自檢測模式下的電路結構示意圖，在圖4中僅示出了數模轉換器300在自檢測模式下的信號路徑。

如圖4所示，進入自檢測模式時，在采樣期間，在第一變換部310中，第一開關陣列312被斷開，第三開關陣列312′、314與第一電容陣列311連接，向第一電容陣列311輸入第一基準電壓vrefb和第二基準電壓vreft的中的一個。此外，在從數據產生器510輸入上述一對數據時，通過第一使能開關sstart1，第一電容cd1被連接至第一基準電壓vrefb，通過采樣開關ss′10輸入第三基準電壓vrefm。同樣地，在第二變換部320中，第四開關陣列322被斷開，第六開關陣列322′、324與第二電容陣列321連接，向第二電容陣列321輸入第二基準電壓vreft和第一基準電壓vrefb中的一個。另外，在從數據產生器510輸入上述一對數據時，通過第二使能開關sstart2，第二電容cd2被連接至第二基準電壓vreft，通過采樣開關ss′20輸入第三基準電壓vrefm。

具體是，如圖4所示，第三開關陣列312′包括n個采樣開關ss′11～ss′1n和ss′10，第六開關陣列322′包括n個采樣開關ss′20～ss′2n和ss′20，同時，第三開關陣列314包括n個開關sd11～sd1n，第六開關陣列324包括n個開關sd21～sd2n(在圖4中n＝8)。各采樣開關ss′1j(ss′2j)與開關sd1j(開關sd2j)串聯連接，例如，在din為高電平且din_b為低電平時向電容c1j輸入第二基準電壓vreft，在din為低電平且din_b為高電平時向電容c1j輸入第一基準電壓vrefb(j是1～n的整數)，對于電容c2j也是如此。

除了采樣期間的動作以外，自檢測模式的其他動作與工作模式的動作相同。經過一系列處理后，dac300輸出第三電平電壓vp2和第四電平電壓vn2。

比較器400基于變換時鐘clkc，比較第三電平電壓vp2和第四電平電壓vn2。數字邏輯500根據比較器400的比較結果，依次將控制信號ctrl變換成高電平或低電平，獲得數據輸出dout[n-1:0]。

判斷dout[n-1:0]與din[n-1:0]是否相同，即可判定逐次逼近型模數轉換器10有無故障。

在以上實施方式中，示出了第三開關陣列312′、314、第六開關陣列322′、324中，對應每個電容，例如c1j(j是1～n的整數)，串聯連接了采樣開關ss′1j與開關sd1j，但是本發明并不限于此。

在本發明的另一實施方式中，如圖5所示，例如相對于電容c1j，也可以使采樣時鐘clks和數據din[n-1:0]/din_b[n-1:0]分別經過一個與門邏輯之后輸出din_a[n-1:0]/din_ab[n-1:0]，然后經由一個開關sd′1j來輸入第一基準電壓vrefb和第二基準電壓vreft的中的一個。通過這種結構，進行自檢測時，相對于一個電容，在采樣期間輸入基準電壓時可以僅使用一個開關。

以下，說明自檢測原理。

電容的電荷量可通過q＝cv來計算。在通常的工作模式下，在采樣時鐘clks為高電平時，第一變換部310的第一電容陣列311中的各電容c11～c1n的一端輸入第一模擬輸入電壓vinp，另一端連接有第三基準電壓vrefm，因此相對于第一模擬輸入電壓vinp的電荷量可由下式(2)表示。

qinp＝2ⁿ×c(vinp-vrefm)(2)

同理，在通常的工作模式下，在采樣時鐘clks為高電平時，第二變換部320的第二電容陣列321中的各電容c21～c2n的一端輸入第二模擬輸入電壓vinn，另一端連接有第三基準電壓vrefm，因此相對于第二模擬輸入電壓vinn的電荷量可由下式(3)表示。

qinn＝2ⁿ×c(vinn-vrefm)(3)

因此，各電容上儲存的電荷總量可由下式(4)表示。

qin＝qinp-qinn＝2ⁿ×cvin(4)

這里，vin＝vinp-vinn。

在自檢測模式下，在采樣期間，各電容根據一對數據din[n-1:0]/din_b[n-1:0]的值，輸入第一基準電壓vrefb或第二基準電壓vreft。因此，相對于第一基準電壓vrefb或第二基準電壓vreft的輸入，第一變換部310的各電容c11～c1n的電荷量可由下式(5)表示，第二變換部320的各電容c21～c2n的電荷量可由下式(6)表示。

qinp＝m×c(vreft-vrefm)+n×c(vrefb-vrefm)(5)

qinn＝m×c(vrefb-vrefm)+n×c(vreft-vrefm)(6)

因此，各電容上儲存的電荷總量可由下式(7)表示。

這里，m+n＝2ⁿ-1。

由此可知，若逐次逼近型模數轉換器10無故障，則dout[n-1:0]應與din[n-1:0]完全相同，但如果有故障，dout[n-1:0]會不同于din[n-1:0]，有可能是偏離了din[n-1:0]的值，也有可能是完全不同于din[n-1:0]的值。因此，判斷出存在故障后，通過比較din[n-1:0]與dout[n-1:0]，可判定模數轉換器的哪個部分出現了故障。

另外，用于自檢測的數據din[n-1:0]是數字邏輯500生成的值，因此可以是以一個碼為單位變換圖案來輸入的值，也可以是階梯式變化的圖案，還可以是三角波或正弦波這樣的圖案。因此，可根據用戶的需求，自由選擇用于自檢測的數據din[n-1:0]。

圖6表示本發明的逐次逼近型模數轉換器的自檢測動作的順序圖。

開始逐次逼近型模數轉換器10的自檢測后，在步驟s110中，數字邏輯500的數據產生器510產生一對邏輯相反的數據din[n-1:0]/din_b[n-1:0]。接著，在步驟s120中，基準信號產生器100產生第一基準電壓vrefb、第二基準電壓vreft和第三基準電壓vrefm。

在步驟s130中，數模轉換器300在采樣期間輸入該一對數據din[n-1:0]/din_b[n-1:0]，根據din[n-1:0]/din_b[n-1:0]的電平，輸入第一基準電壓vrefb、第二基準電壓vreft中的一個，輸出第三電平電壓vp2和第四電平電壓vn2。例如，在第一變換部310中，可以在din為高電平且din_b為低電平時輸入第二基準電壓vreft，在din為低電平且din_b為高電平時輸入第一基準電壓vrefb，在第二變換部320中也進行類似的動作。

在步驟s140中，比較器400比較數模轉換器300的輸出，數字邏輯500根據比較器400的比較結果執行逐次逼近(successiveapproximation)，輸出數據dout[n-1:0]。

在步驟s150中，比較數據din[n-1:0]和dout[n-1:0]是否一致，若兩者不一致就可以判斷出模數轉換器有故障。

根據本發明，在檢測逐次逼近型模數轉換器是否有故障時，不需要外部的模擬信號輸入裝置，能夠在無外部模擬信號輸入的情況下，在內部完成自檢測，從而判斷逐次逼近型模數轉換器有無故障。因此，能夠縮短檢測時間，同時能夠減少檢測費用。另外，用于自檢測的輸入信號來自模數轉換器內部的數字邏輯，因此能夠對多種輸入圖案進行檢測。

以上詳細說明了本發明的實施方式，但是本發明并不限于以上的實施方式，在本發明的技術思想范圍內進行的變更、改進等均在本發明的保護范圍之內。