CN102006075A - 一种能量节省型电容阵列的逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属集成电路技术领域，具体为一种能量节省型电容阵列的逐次逼近型模数转换器。该模数转换器结构由采样开关、跟踪保持电路、比较器、控制逻辑、电容阵列数模转换器构成，其中电容阵列数模转换器采用了本发明提出的新型电容阵列数模转换器的开关方式。该方式能够减小电容的平均开关功耗。

Description

一种能量节省型电容阵列的逐次逼近型模数转换器
技术领域
本发明属集成电路技术领域，具体涉及逐次逼近型模数转换器。
背景技术
逐次逼近模数转换器是一种中高精度、中等转换速率、超低功耗的模数转换器结构。对于传感器、便携式设备及生物应用来说，要求模数转换器能够工作在低电源电压下。然而随着电源电压的降低，电路的增益受到了限制，而逐次逼近模数转换器的结构只包括比较器、数模转换器和逐次逼近寄存器而不需要提供增益的电路。数字电路的功耗会随着工艺尺寸缩减比例（scaling-down）不断减小，而模拟电路的功耗很难随着工艺的进步而减小。本发明提出的开关方法针对于逐次逼近型模数转换器中的电容数模转换器，可以大幅度地减小电容开关操作的平均功耗，节省了逐次逼近型模数转换器的模拟功耗。图1所示的是通常采用的逐次逼近模数转换器的结构图，主要由跟踪保持电路10、采样开关11、比较器12、电容阵列数模转换器13、控制逻辑14构成。图2是传统逐次逼近模数转换器的电容阵列数模转换器的开关方法。图3、4、5、6、7、8是能量节省型逐次逼近模数转换器的电容阵列数模转换器的开关方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电容的平均开关功耗小的能量节省型逐次逼近模数转换器结构。
本发明提出的逐次逼近模数转换器的结构，由跟踪保持电路10、比较器12、控制逻辑14构成，跟踪保持电路10由采样开关11和电容阵列数模转换器13构成。其中：
模拟输入信号经过跟踪保持电路10得到保持信号；
电容阵列数模转换器13进行开关操作，产生一个基准电压值，该基准电压值和保持信号通过比较器12比较出信号大小大小；
根据比较器12比较出的信号大小，由控制逻辑14决定电容阵列的最高位（MSB）开关接Vref或地，电容阵列数模转换器13开始电荷重分布；
当电荷重分布完成后，比较器比较出信号大小，控制逻辑14根据比较结果，决定电容阵列数模转换器的次高位接保持Vref或地，这个过程一直进行下去直到比较出最低位（LSB）信号；
从最高位（MSB）到最低位（LSB）的输出数字码存在控制逻辑（14）的寄存器中，从而完成了一次转换。
本发明提出的能量节省型逐次逼近模数转换器的结构特点在于：模拟输入信号经过跟踪保持电路得到保持信号，第一次开关消耗能量为0；根据保持得到的保持信号，电容阵列数模转换器进行开关操作，比较出Vip、Vin的大小，根据比较器的输出结果，由控制逻辑决定电容阵列的开关连接方式，当电容阵列的电荷重分布好以后；如果Vip>Vin，比较器比较Vip-Vin与VREF/2的大小，如果Vip<Vin，比较器比较Vip-Vin与-VREF/2的大小，根据比较器的输出结果，由控制逻辑决定电容阵列的开关连接方式，电荷再次重分布，这个一直重复进行下去，直到比完最后一个比特。
本发明中，能量节省型的开关时序控制的特点在于N个二进制权重的电容可以实现分辨率为N+1的模数转换器。
本发明中，能量节省型的开关时序控制的特点还在于第一次及第二次转换，电容阵列数模转换器13不消耗能量。而且，第一、二次转换之后每次转换能量均比传统结构转换能量小。
本发明的电容阵列数模转换器13和其他结构的电容阵列数模转换器相比，在同等分辨率下电容总值较小。
本发明可推广到任何分辨率的逐次逼近模数转换器中。例如本发明可用至单端、全差分及伪差分的逐次逼近模数转换器中。
附图说明
图1显示逐次逼近模数转换器结构示意图。
图2显示传统电容阵列数模转换器开关转换示意图。
图3显示能量节省电容阵列数模转换器前三次开关转换示意图。
图4显示能量节省电容阵列数模转换器在输入信号范围                                                的第四次开关转换示意图。
图5显示能量节省电容阵列数模转换器在输入信号范围
Figure 291924DEST_PATH_IMAGE002
的第四次开关转换示意图。
图6显示能量节省电容阵列数模转换器在输入信号范围
Figure 201010602147X100002DEST_PATH_IMAGE003
的第四次开关转换示意图。
图7显示能量节省电容阵列数模转换器在输入信号范围
Figure 577411DEST_PATH_IMAGE004
的第四次开关转换示意图。
图8显示分辨率扩展至N的能量节省型电容阵列数模转换器的开关转换示意图。
图中标号：10表示跟踪保持电路。11表示采样开关。12表示比较器。13表示电容阵列数模转换器。14表示控制逻辑。20表示传统电容阵列数模转换器第一次开关转换消耗能量值。21表示当Vip>Vin时传统电容阵列数模转换器第二次开关转换消耗能量值。22表示当Vip<Vin时传统电容阵列数模转换器第二次开关转换消耗能量值。23表示当Vref/2<Vip-Vin<Vref时传统电容阵列数模转换器第三次开关转换消耗能量值。24表示当0<Vip-Vin<Vref/2时传统电容阵列数模转换器第三次开关转换消耗能量值。25表示当-Vref/2<Vip-Vin<0时传统电容阵列数模转换器第三次开关转换消耗能量值。26表示当-Vref<Vip-Vin<-Vref/2时传统电容阵列数模转换器第三次开关转换消耗能量值。30表示采样开关闭合。31表示采样开关打开。32表示当Vip>Vin时电容连接方法。33表示当Vip<Vin时电容连接方法。34表示当Vref/2<Vip-Vin<Vref时电容连接方法。35表示当0<Vip-Vin<Vref/2时电容连接方法。36表示当-Vref/2<Vip-Vin<0时电容连接方法。37表示当-Vref<Vip-Vin<-Vref/2时电容连接方法。38表示能量节省型电容阵列数模转换器由跟踪阶段到保持阶段第一次开关消耗能量值。39表示当Vip>Vin时能量节省型电容阵列数模转换器第二次开关消耗能量值。40表示当Vip<Vin时能量节省型电容阵列数模转换器第二次开关消耗能量值。41表示当Vref/2<Vip-Vin<Vref时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量值。42表示当0<Vip-Vin<Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量值。43表示当-Vref/2<Vip-Vin<0时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量值。44表示当-Vref<Vip-Vin<-Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量值。45表示当3Vref/4<Vip-Vin< Vref时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。46表示当Vref/2<Vip-Vin< 3Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。47表示当Vref/4<Vip-Vin< Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。48表示当0<Vip-Vin< Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。49表示当-Vref/4<Vip-Vin< 0时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。50表示当-Vref/2<Vip-Vin< -Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。51表示当-3Vref/4<Vip-Vin< -Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。52表示当-Vref<Vip-Vin< -3Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量值。53表示当3Vref/4<Vip-Vin< Vref时电容连接方法。54表示当Vref/2<Vip-Vin<3Vref/4时电容连接方法。55表示当Vref/4<Vip-Vin<Vref/2时电容连接方法。56表示当0<Vip-Vin< Vref/4时电容连接方法。57表示当-Vref/4<Vip-Vin< 0时电容连接方法。58表示当-Vref/2<Vip-Vin<-Vref/4时电容连接方法。59表示当-3Vref/4<Vip-Vin< -Vref/2时电容连接方法。60表示当-Vref<Vip-Vin<-3Vref/4时电容连接方法。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本发明。
图3、4、5、6、7是本发明提出的能量节省型逐次逼近模数转换器示意图，该示意图以4比特为例，图3是前3比特转换，图4、5、6、7是第4比特转换，其工作原理是：
（1）模拟输入信号经过跟踪保持电路（31）得到保持信号，第一次开关消耗能量为0（38）。
（2）根据电容阵列上的保持信号大小，比较器作出比较，判断Vip和Vin的大小。当Vip>Vin时能量节省型电容阵列数模转换器第二次开关消耗能量为0（39），当Vip<Vin时能量节省型电容阵列数模转换器第二次开关消耗能量为0（40）。
（3）如果Vip>Vin，上边的电容阵列接VCM(32)，比较器比较Vip-Vin和Vref/2的大小，当Vref/2<Vip-Vin<Vref时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量为
Figure 201010602147X100002DEST_PATH_IMAGE005
(41)，当0<Vip-Vin<Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量为
Figure 845582DEST_PATH_IMAGE006
(42)。
（4）如果Vip<Vin，下边的电容阵列接VCM(33)，比较器比较Vip-Vin和Vref/2的大小，当-Vref/2<Vip-Vin<0时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量为 (43)，当-Vref<Vip-Vin<-Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第三次开关消耗能量为
Figure 80702DEST_PATH_IMAGE005
 (44)。
（5）如果Vref/2<Vip-Vin<Vref，上边的电容阵列最高位电容(34)接地，比较器比较Vip-Vin和3Vref/4的大小，当3Vref/4<Vip-Vin< Vref时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 201010602147X100002DEST_PATH_IMAGE007
(45)，当Vref/2<Vip-Vin< 3Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 853486DEST_PATH_IMAGE005
(46)。
（6）如果0<Vip-Vin<Vref/2，下边的电容阵列最高位电容(35)接VCM，比较器比较Vip-Vin和Vref/4的大小，当Vref/4<Vip-Vin< Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 659768DEST_PATH_IMAGE007
(47)，当0<Vip-Vin< Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 303239DEST_PATH_IMAGE005
(48)。
（7）如果-Vref/2<Vip-Vin<0，下边的电容阵列最高位电容(36)接地，比较器比较Vip-Vin和-Vref/4的大小，当-Vref/4<Vip-Vin< 0时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 169564DEST_PATH_IMAGE005
(49)，当-Vref/2<Vip-Vin< -Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 898485DEST_PATH_IMAGE007
(50)。
（8）如果-Vref<Vip-Vin<-Vref/2，上边的电容阵列最高位电容(34)接VCM，比较器比较Vip-Vin和-3Vref/4的大小，当-3Vref/4<Vip-Vin< -Vref/2时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 977300DEST_PATH_IMAGE005
(51)，当-Vref<Vip-Vin< -3Vref/4时能量节省型电容阵列数模转换器第四次开关消耗能量为
Figure 255703DEST_PATH_IMAGE007
(52)。
（9）如果3Vref/4<Vip-Vin< Vref，上边的电容阵列次高位电容(53)接地，比较器比较Vip-Vin和7Vref/8的大小。
（10）如果Vref/2<Vip-Vin<3Vref/4，下边的电容阵列次高位电容(54)接VCM，比较器比较Vip-Vin和5Vref/8的大小。
（11）如果Vref/4<Vip-Vin<Vref/2，上边的电容阵列次高位电容(55)接地，比较器比较Vip-Vin和3Vref/8的大小。
（12）如果0<Vip-Vin< Vref/4，下边的电容阵列次高位电容(56)接VCM，比较器比较Vip-Vin和Vref/8的大小。
（13）如果-Vref/4<Vip-Vin< 0，下边的电容阵列次高位电容(57)接地，比较器比较Vip-Vin和-Vref/8的大小。
（14）如果-Vref/2<Vip-Vin<-Vref/4，上边的电容阵列次高位电容(58)接VCM，比较器比较Vip-Vin和-3Vref/8的大小。
（15）如果-3Vref/4<Vip-Vin< -Vref/2，下边的电容阵列次高位电容(59)接地, 比较器比较Vip-Vin和-5Vref/8的大小。
（16）如果-Vref<Vip-Vin<-3Vref/4，上边的电容阵列次高位电容(60)接VCM，比较器比较Vip-Vin和-7Vref/8的大小。
图8是扩展至N比特的逐次逼近模数转换器示意图，其开关时序方法与上述4比特的相同。

Claims (2)

1.一种能量节省型逐次逼近型模数转换器结构，其特征在于由跟踪保持电路（10）、比较器（12）、控制逻辑（14）构成，跟踪保持电路（10）由采样开关（11）和电容阵列数模转换器（13）构成；其中：
模拟输入信号经过跟踪保持电路（10）得到保持信号；
电容阵列数模转换器（13）进行开关操作，产生一个基准电压值，该基准电压值和保持信号通过比较器（12）比较出信号大小大小；
根据比较器（12）比较出的信号大小，由控制逻辑（14）决定电容阵列的最高位（MSB）开关接Vref或地，电容阵列数模转换器（13）开始电荷重分布；
当电荷重分布完成后，比较器比较出信号大小，控制逻辑（14）根据比较结果，决定电容阵列数模转换器的次高位接保持Vref或地，这个过程一直进行下去直到比较出最低位（LSB）信号；
从最高位（MSB）到最低位（LSB）的输出数字码存在控制逻辑（14）的寄存器中，从而完成了一次转换。
2.根据权利要求1所述的能量节省型逐次逼近型模数转换器结构，其特征在于模拟输入信号经过跟踪保持电路得到保持信号，第一次开关消耗能量为0；根据保持得到的保持信号，电容阵列数模转换器进行开关操作，比较出Vip、Vin的大小，根据比较器的输出结果，由控制逻辑决定电容阵列的开关连接方式，当电容阵列的电荷重分布好以后；如果Vip>Vin，比较器比较Vip-Vin与VREF/2的大小，如果Vip<Vin，比较器比较Vip-Vin与-VREF/2的大小，根据比较器的输出结果，由控制逻辑决定电容阵列的开关连接方式，电荷再次重分布，这个一直重复进行下去，直到比完最后一个比特。
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