CN102386924A - 低电压异步逐次逼近模数转换器及转换方法 - Google Patents

低电压异步逐次逼近模数转换器及转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异步逐次逼近模数转换器及转换方法，包含：采样网络、电容阵列脉冲宽度调制时间域比较器和逻辑控制电路；电容阵列的采样网络采用自举式开关；电容阵列中的电容按照两倍关系递减，所有电容上极板和自举式开关连接输出到比较器；时间域比较器包含：脉冲宽度调制和触发器，比较电容阵列的输出电压大小；逻辑控制电路采用异步时序控制电容阵列依次完成切换，有效提高了模数转换器的功耗效率，并且降低了外围电路需求，能够用于先进工艺超低电源电压设计。

Description

低电压异步逐次逼近模数转换器及转换方法
技术领域
本发明涉及一种低电压异步逐次逼近模数转换器及转换方法，特别涉及一种采用时间域比较器，适用于深亚微米低电源电压，并且通过异步时序控制提高功耗效率、降低外围电路需求的逐次逼近模数转换器。
技术背景
逐次逼近模数转换器在8-10比特精度、100兆赫兹以下采样率中的高功耗效率，将其区别于其他类型模数转换器，手持和便携设备的超低功耗需求进一步促进了这种模数转换器的广泛应用。
异步时序控制的逐次逼近模数转换器相对于同步时序类型，提高了转换过程中的功耗效率，并且不再需要高于采样率数倍的高速系统时钟，简化了外围电路，同时降低了整个系统的功耗。
随着先进制造技术的发展，半导体工艺已经发展到20纳米的节点，给数字电路带来了很多好处：更低的电源电压，更低的功耗；更高的集成度，更小的芯片面积；但是对于模拟电路，传统器件的设计变得更加复杂，甚至难以实现，因此将模拟电路的一部分功能转化到功能日益强大的数字电路中实现成为研究热点。模数转换器是数字电路和模拟世界必不可少的接口电路，能够兼容深亚微米低电源电压数字电路的需求是设计中必须考虑的因素。
深亚微米低电压下传统模拟电路设计受到诸多限制：信号幅度减小，提高了解析和比较精度的要求；管子本征增益下降；漏电流增加；复杂的高增益结构不再适用等。
发明内容
本发明目的在于，通过异步时序控制提高功耗效率、降低外围电路需求，采用时间域比较器兼容深亚微米低电源电压先进工艺。
本发明一种低电压异步逐次逼近模数转换器及转换方法是采用以下技术手段实现的：
一种低电压异步逐次逼近模数转换器，包含：采样网络、电容阵列、脉冲宽度调制时间域比较器和逻辑控制电路。
电容阵列的采样网络由两个自举式开关分别连接到差分模拟输入信号的正相输入端和反向输入端。
电容阵列中所有电容的上极板和前述自举式开关的一端连接在一起输入比较器，下极板由逻辑控制电路的输出通过反相器控制，电容值大小按照两倍的关系逐个递减，最后一个电容下极板接地，补齐电容阵列正确切换所需剩下的容值。
脉冲宽度时间域比较器通过比较电容阵列上极板的电压，输出比较结果以及比较完成的信号，包含：脉冲宽度调制和触发器，其中脉冲宽度调制单元将输入的待比较电压转化为数字脉宽信号，通过触发器比较上升沿的先后顺序确定其大小关系。
逻辑控制电路接收来自比较器的比较结果和比较完成信号，切换电容阵列中对应的电容直至完成一次采样所有的比较，然后再将所有的下极板控制信号重置为初始值开始下一次采样。
一种低电压异步逐次逼近模数转换方法，是采用以下技术手段实现的：
步骤1：重置所有的下极板控制信号为初始值。
步骤2：根据比较结果切换电容阵列中最大的一组电容对应的控制信号：如果比较结果为正，则切换完成-1/2Vref(差分模拟输入信号范围在+Vref到-Vref之间)；如果比较结果为负，则不做任何动作。本次比较结果即为相应比特的数字码，切换完后做好下一次比较的准备，并且向下一级输出完成信号。
步骤3：以此类推，重复循环步骤2直至切换到电容阵列中最小的一组电容，然后输出比较得到的二进制码和转换完成信号，结束本次采样转换过程，等待进入下一次。
本发明一种低电压异步逐次逼近模数转换器及转换方法，与现有技术相比具有以下明显的优势和有益效果：
本发明使用异步时序控制的逐次逼近模数转换器，不需要外围电路提供高于采样率数倍的高速系统时钟。通过脉冲宽度调制时间域比较器，降低了模拟电路的设计难度，并且使超低电压(小于0.6伏)的模数转换成为可能。此外，这种模数转换器不需要任何参考电压和参考电流输入，进一步简化外围电路和整体功耗。
综上所述，本发明实现了低电压异步逐次逼近模数转换器，提高了功耗效率，降低了外围电路需求。本发明并不限于上述实施例，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和变化。
附图说明
图1为低电压异步逐次逼近模数转换器的结构框图；
图2为本发明实施例中低电压异步逐次逼近模数转换器的电路图；
图3为本发明实施例中比较器的结构框图；
图4为本发明实施例中用于比较器的脉冲宽度调制电路图；
图5为本发明实施例中用于比较器的触发器电路图；
图6为本发明实施例中逻辑控制电路结构图；
图7为本发明实施例中逻辑控制电路单元1的电路图；
图8为本发明实施例中逻辑控制电路单元2的电路图；
图9为本发明实施例中比较器的时序图；
图10为本发明实施例中模数转换器输出的快速傅里叶变换仿真结果。
符号说明：
201：自举式采样开关；202：电容阵列；203：脉冲宽度调制时间域比较器；204：逻辑控制电路；
501：RS触发器。
具体实施方法
以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明：
如图1所示，本发明一种低电压异步逐次逼近模数转换器的结构框图，包括：采样网络、电容阵列、脉冲宽度时间域比较器和逻辑控制电路。本发明实施例中实现的是一个8比特、20兆赫兹采样率的逐次逼近模数转换器，功耗仅22微瓦。
电容阵列的输入信号由于是随时间变化的模拟信号，因此采用自举式采样开关，导通电阻随信号幅度变化相对于CMOS开关较小。
图2给出了电容阵列的电路图。电容阵列包含9个上极板连接在一起的电容，其中1个电容的下极板接地，电容大小为129*C(C是单位电容)，另外8个电容下极板由逻辑控制电路的输出经过反相器控制，最大的一组是128*C，最小的一组是1*C；控制信号bit7和bit7n是反相关系，剩下七对以此类推；同时，bit7到bit0也是模数转换器输出的数字码。
图3给出了比较器的结构图。IP和IN是电容阵列的输出，输入到两个相同的脉冲宽度调制电路。图4给出了脉冲宽度调制的电路图。这种脉冲宽度调制不是线性的，但是能够用上升沿出现的先后顺序反应待比较电压的大小关系。为了兼顾比较范围和比较精度两个方面，需要将比较器共模电压经脉冲宽度调制后的数字脉宽信号调整到处于整个输出范围的中间位置。脉冲宽度调制的输出通过RS触发器得到比较结果，并且通过将触发器的两个输出经过或非门后得到比较完成信号。
图6给出了逻辑控制电路的结构图，主要由单元1和单元2组成，其中所有的单元1级联在一起分别依次给出一次采样后8次比较的使能信号，单元2则完成单元1输出信号的一部分后处理功能。单元2输出控制电容阵列下极板的信号，单元1经两输入或非门的输出再经过一个八输入或非门得到比较器的使能信号。图7给出了单元1的电路图，其中set和set_next是本级与前一级和后一级的接口，rdy是比较完成信号，cmp是比较器使能信号；图8给出了单元2的电路图，cmp_out是比较器的比较结果，rst是重置信号，每次采样前都会有效一次，set是图6中或非门的输出，rdy是比较完成信号，bit是模数转换器待输出的数字码。图9给出了比较器的时序图，cmp使能信号是低有效，经过一段时间比较器输出比较结果cmp_out，并且在比较结果稳定后输出比较完成信号rdy。
实施本发明的关键在于设计异步时序电路和脉冲宽度调制时间域比较器：由于工作在低电源电压下，各个控制信号的上升沿和下降沿会非常缓慢，然而增加管子尺寸又会因为寄生电容增加让上升下降的提升不明显，因此需要对关键节点上的管子做有限的增加，对后处理环节的管子尺寸严格控制，这样才能在确保异步时序正常工作的前提下尽量提高采样率；时间域比较器主要在于输入管尺寸在足够弥补工艺匹配误差的前提下，不会带来过多能量消耗以及输入电容非线性对电容阵列输出电压的影响。
综上所述，本发明通过该实施例达到了设计目的，实现了一种异步逐次逼近模数转换器及转换方法，具有功耗效率高、对外围电路要求低、并且能够工作在低电源电压下的特点。本发明并不限于上述实施例，可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和变化。

Claims (3)

1.一种低电压异步逐次逼近模数转换器，包含：采样网络、电容阵列、脉冲宽度调制时间域比较器和逻辑控制电路；其特征在于：电容阵列的采样网络由两个自举式开关分别连接到差分模拟输入信号的正相输入端和反向输入端；电容阵列中所有电容的上极板和所述自举式开关的一端连接在一起输入比较器，下极板由逻辑控制电路的输出通过反相器控制，电容值大小按照两倍的关系逐个递减，最后一个电容下极板接地，补齐电容阵列正确切换所需剩下的容值；脉冲宽度时间域比较器通过比较电容阵列上极板的电压，输出比较结果以及比较完成的信号，包含：脉冲宽度调制和触发器，其中脉冲宽度调制单元将输入的待比较电压转化为数字脉宽信号，通过触发器比较上升沿的先后顺序确定其大小关系；逻辑控制电路接收来自比较器的比较结果和比较完成信号，切换电容阵列中对应的电容直至完成一次采样所有的比较，然后再将所有的下极板控制信号重置为初始值开始下一次采样。
2.根据权利要求1所述的低电压异步逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述的差分模拟输入信号范围在+Vref到-Vref之间。
3.一种低电压异步逐次逼近模数转换方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：重置所有的下极板控制信号为初始值；
步骤2：根据比较结果切换电容阵列中最大的一组电容对应的控制信号：如果比较结果为正，则切换完成-1/2Vref；如果比较结果为负，则不做任何动作；本次比较结果即为相应比特的数字码，切换完后做好下一次比较的准备，并且向下一级输出完成信号；
步骤3：以此类推，重复循环步骤2直至切换到电容阵列中最小的一组电容，然后输出比较得到的二进制码和转换完成信号，结束本次采样转换过程，等待进入下一次。
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