CN103840829A - 逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

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朱樟明
肖余
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Abstract

本发明提供一种逐次逼近型模数转换器，用于N位模数转换，包括N-1对二进制电容，其中：采样阶段：每对电容中的第一电容的上极板通过采样电路对第一差分输入信号进行采样，每对电容中的第二电容的上极板通过采样电路对第二差分输入信号进行采样；第一次比较阶段：电容的上极板断开与第一、第二差分输入信号的连接，第一差分输入信号与第二差分输入信号进行比较并对应改变电容的接法；后续比较阶段：第一差分输入信号与第二差分输入信号进行比较并对应改变电容的接法。上述逐次逼近型模数转换器避免了较大的电容面积，且同时减小开关过程中产生的功耗。

Description

逐次逼近型模数转换器
技术领域
本发明涉及模数转换器领域，尤其涉及一种逐次逼近型模数转换器。
背景技术
模数转换器作为连接模拟系统和数字处理系统的桥梁，其低功耗设计显得尤为重要。逐次逼近型模数转换器由于其结构简单、面积小、功耗利用率高而广泛应用于各种低功耗限能系统中。
逐次逼近型模数转换器主要由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器组成，其中D/A转换器一般为电容式结构。由于现有工艺的限制，D/A转换器中单位电容取值一般较大。而单位电容越大就会导致模数转换过程中所消耗的能量越大，从而增加了逐次逼近型模数转换器的整体功耗。
请参考图1A-1C，传统的三位逐次逼近型模数转换器的开关过程如图1所示。所述三位逐次逼近型模数转换器的D/A转换器包括四组二进制电容，图1中C1-C8代表二进制权重电容，即有C1=2C2=4C3=4C4、C5=2C6=4C7=4C8，C3、C4、C7、C8是单位电容，而C1、C2、C5、C6均是由相应个数的单位电容构成，也就是说电容C1、C2、C5、C6所包括的单位电容的个数的比例应该是4:2:4:2。如此，N位逐次逼近型模数转换器中电容所包括的单位电容的个数比例为2N-1:2N-2:…4:2:1:1。VP及VN代表差分输入信号，VREF代表高电平电压，VCM代表共模电压，GND代表低电平电压，且VREF与VCM满足以下公式：VCM=VREF/2。
图1A-1C中，采样阶段所有电容C1-C8的上极板均接共模电压VCM，电容C1-C4的下极板接差分输入信号VP，电容C5-C8的下极板接差分输入信号VN。采样结束后，断开电容C1-C8的上极板与共模电压VCM的连接，电容C1的下极板以及电容C6-C8的下极板接高电平电压VREF，电容C2-C4的下极板以及电容C5的下极板接低电平电压GND，之后开始第一次比较过程。如果差分输入信号VP大于差分输入信号VN，则模数转换器的数字输出码为“1”，同时电容C1-C8的接法保持不变；反之如果差分输入信号VP小于差分输入信号VN，则模数转换器的数字输出码为“0”，电容C1的下极板更换为与低电平电压GND相连，电容C5的下极板更换为与高电平电压VREF相连，接着电容C2的下极板更换为与高电平电压VREF相连，电容C6的下极板更换为与低电平电压GND相连，随后开始第二次比较，并根据比较结果确定相应的电容是保持不变还是切换连接低电平电压GND或高电平电压VREF，直到LSB确定。其中，整个过程中电容C1-C4的下极板接法分别与电容C5-C8的下极板的接法相反，即若电容C1的下极板连接低电平电压GND，则电容C5的下极板则连接高电平电压VREF，若电容C3的下极板连接高电平电压VREF，则电容C7的下极板则连接低电平电压GND。
图1A-1C中也示意了每步转换过程中开关消耗的能量。采用传统结构和开关时序的模数转换器，完成转换产生的功耗可以表示为：
其中：N为模数转换器的位数，C为D/A转换器的单位电容值，VREF模数转换器的电源电压高电平。
请参考图2，其为图1A-1C中三位逐次逼近型模数转换器的开关时序控制的逐次逼近波形图。可见，传统结构开关时序存在的问题是：需要较多的电容，产生较大功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种逐次逼近型模数转换器，避免了较大的电容面积，同时减小开关过程中产生的功耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种逐次逼近型模数转换器，用于N位模数转换，包括N-1对二进制电容，其中：
采样阶段：每对电容的下极板均接共模电压，每对电容中的第一电容的上极板通过采样电路对第一差分输入信号进行采样，每对电容中的第二电容的上极板通过采样电路对第二差分输入信号进行采样；
初次比较阶段中：电容的上极板断开与第一、第二差分输入信号的连接，当第一差分输入信号小于第二差分输入信号时，每对电容中的第一电容的下极板由接共模电压切换为接高电平电压，每对电容中的第二电容的接法不变，当第一差分输入信号大于第二差分输入信号时，每对电容中的第一电容的接法不变，每对电容中的第二电容的下极板由接共模电压切换为接高电平电压；
后续比较过程中：如果第一差分输入信号大于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号小于第二差分输入信号，则每对电容中的第一电容的下极板切换为接共模电压，每对电容中的第二电容接法不变；如果第一差分输入信号大于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号大于第二差分输入信号，则每对电容中第一电容的下极板切换为接低电平电压，每对电容中第二电容接法不变；如果第一差分输入信号小于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号大于第二差分输入信号，则每对电容中第二电容的下极板切换为接共模电压，每对电容中第一电容的接法不变；如果第一差分输入信号小于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号小于第二差分输入信号，则每对电容中第二电容的下极板切换为接低电平电压，每对电容中第一电容的接法不变。
其中，所述共模电压与高电平电压之间满足以下公式：VCM=VREF/2，其中VCM为共模电压，VREF为高电平电压。
其中，所述第一次和第二次开关过程不消耗能量，第i次开关阶段中消耗的能量为
Figure BDA00002466795200031
其中C为电容的电容值，VREF为高电平电压。
其中，所述逐次逼近型模数转换器的平均开关功耗符合公式：
其中：
N为模数转换器的位数，C为电容的电容值，VREF为高电平电压。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的逐次逼近型模数转换器，避免了较大的电容面积，同时减小开关过程中产生的功耗。
附图说明
图1A-1C为现有传统三位逐次逼近型模数转换器的开关过程的示意图。
图2为图1A-1C中示意的开关时序控制的N位模数转换器的逐次逼近波形图。
图3A-3C为本发明实施方式的三位逐次逼进型模数转换器的开关过程的示意图。
图4为采用图3A-3C中示意的开关时序控制的N位模数转换器的逐次逼近波形图。
图5为采用图3A-3C中示意的开关时序控制的10位逐次逼近型模数转换器在转换过程中开关功耗随输出码变化的Matlab仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
请参见图3A-3C，本发明逐次逼近型模数转换器的较佳实施方式以三位模数转换器为例进行说明。其中，所述逐次逼近型模数转换器的D/A转换器包括两组二进制电容，图3A-3C中C10-C40代表单位电容，VP及VN代表差分输入信号，VREF代表高电平电压，VCM代表共模电压，GND代表低电平电压，且VREF与VCM满足以下公式：VCM=VREF/2。
在采样阶段，两个电容阵列的所有电容C10-C40的下极板均接共模电压VCM，同时上极板通过采样电路分别对差分输入信号VP、VN进行采样；从而采样阶段比较器两输入端的电压分别为VP、VN。
采样结束后，电容C10-C40的上极板断开与输入信号VP、VN的连接，开始第一次比较。
如果比较器的两输入端分别接收的差分输入信号VXP小于VXN，此时差分输入信号VXP与VXN分别等于电容的上极板所接收的差分输入信号VP及VN，即差分输入信号VP小于差分输入信号VN，则比较器输出数字码为0，电容C10及C20的下极板由接共模电压VCM切换为接高电平电压VREF，即电容C10及C20的上极板的电压向上平移0.5VREF，而电容C30及C40的接法保持不变。
如果差分输入信号比较器的两输入端分别接收的差分输入信号VXP大于VXN，即差分输入信号VP大于差分输入信号VN，则比较器输出数字码为1，电容C10及C20的接法保持不变，而电容C30及C40的下极板由接共模电压VCM切换为接高电平电压VREF，即电容C30及C40的上极板的电压向上平移0.5VREF。这个过程中虽然存在开关动作，但是由于是完全无源的，所以不消耗能量。
最高位确定后，开始第二次比较。
如果差分输入信号VXP大于差分输入信号VXN，则比较器输出数字码为1。此时将分两种情况进行描述：
如果之前第一次比较时差分输入信号VXP小于差分输入信号VXN，即电容C10及C20的下极板在第一次比较之后接高电平电压VREF，则该电容C10及C20的下极板切换为接共模电压VCM，而电容C30及C40的接法保持不变，这个过程开关消耗的能量为0.125CVREF 2。
如果之前第一次比较时差分输出信号VXP大于差分输入信号VXN，即电容C10及C20的下极板在第一次比较之后接共模电压VCM，则该电容C10及C20的下极板切换为接低电平电压GND，而电容C30及C40的接法保持不变，这个过程开关消耗的能量为0.125CVREF 2。
如果差分输入信号VXP小于差分输入信号VXN，则比较器输出数字码为0。此时仍然分两种情况进行描述：
如果之前第一次比较时差分输入信号VXP大于差分输入信号VXN，即电容C30及C40的下极板在第一次比较后接高电平电压VREF，则该电容C30及C40的下极板切换为接共模电压VCM，而电容C10及C20的接法保持不变，这个过程开关消耗的能量为0.125CVREF 2。
如果之前第一次比较时差分输入信号VXP小于差分输入信号VXN，即电容C30及C40的下极板在第一次比较后接共模电压VCM，则该电容C30及C40的下极板切换为接低电平电压GND，而电容C10及C20的接法保持不变，这个过程开关消耗的能量为0.125CVREF 2。
最后确定最低位，如果差分输入信号VXP小于差分输入信号VXN，则比较器输出数字码为1，反之为0。比较输出后不存在开关动作。这个过程不产生开关功耗。
对于N位模数转换器，采用本发明提供的开关时序，其转换过程中平均开关功耗符合公式：
Figure BDA00002466795200061
其中：
N为模数转换器的位数；
C为单位电容的电容值；
VREF为模数转换器的高电平电压。
显然，上述功耗将小于背景技术中所消耗的功耗。
请继续参考图4及图5，其示意了采用本发明提供的开关时序控制的逐次逼近波形图，图5是采用本开关时序的转换过程中开关功耗随输出码变化的Matlab仿真结果。
以上所述的仅是本发明的一个实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种逐次逼近型模数转换器，用于N位模数转换，其特征在于：包括N-1对二进制电容，其中：
采样阶段：每对电容的下极板均接共模电压，每对电容中的第一电容的上极板通过采样电路对第一差分输入信号进行采样，每对电容中的第二电容的上极板通过采样电路对第二差分输入信号进行采样；
初次比较阶段中：电容的上极板断开与第一、第二差分输入信号的连接，当第一差分输入信号小于第二差分输入信号时，每对电容中的第一电容的下极板由接共模电压切换为接高电平电压，每对电容中的第二电容的接法不变，当第一差分输入信号大于第二差分输入信号时，每对电容中的第一电容的接法不变，每对电容中的第二电容的下极板由接共模电压切换为接高电平电压；
后续比较过程中：如果第一差分输入信号大于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号小于第二差分输入信号，则每对电容中的第一电容的下极板切换为接共模电压，每对电容中的第二电容接法不变；如果第一差分输入信号大于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号大于第二差分输入信号，则每对电容中第一电容的下极板切换为接低电平电压，每对电容中第二电容接法不变；如果第一差分输入信号小于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号大于第二差分输入信号，则每对电容中第二电容的下极板切换为接共模电压，每对电容中第一电容的接法不变；如果第一差分输入信号小于第二差分输入信号且第一次比较阶段中第一差分输入信号小于第二差分输入信号，则每对电容中第二电容的下极板切换为接低电平电压，每对电容中第一电容的接法不变。
2.如权利要求1所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述共模电压与高电平电压之间满足以下公式：VCM=VREF/2，其中VCM为共模电压，VREF为高电平电压。
3.如权利要求1所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述第一次和第二次开关过程不消耗能量，第i次开关阶段中消耗的能量为
Figure FDA00002466795100011
其中C为电容的电容值，VREF为高电平电压。
4.如权利要求1所述的逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述逐次逼近型模数转换器的平均开关功耗符合公式：
Figure FDA00002466795100021
其中：
N为模数转换器的位数，C为电容的电容值，VREF为高电平电压。
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