CN104135291B - 一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，包括电压‑电流转换模块、电荷再分布DAC模块、缓冲器模块、积分器模块、比较器模块和控制逻辑模块，所述电荷再分布DAC模块由电容器阵列及与所述电容器阵列相连的开关组成，所述电压‑电流转换模块的电流输出端连接到电荷再分布DAC模块的输入端，所述电荷再分布DAC模块的输出端连接到积分器模块的输入端，所述缓冲器模块位于电荷再分布DAC模块和积分器模块之间，所述积分器模块的输出端连接到比较器模块的输入端，所述比较器模块的输出端连接到控制逻辑模块的输入端，所述控制逻辑模块的输出端连接到所述开关。本发明的模数转换器在分辨率保持很高的情况下仍可以保持高速。
Description
技术领域
本发明涉及一种模数转换器，具体涉及一种利用脉冲充电的方式实现的高速的连续接近式寄存器型模数转换器。
背景技术
在大规模集成电路迅猛发展的今天，数字信号处理器的功能越来越强，许多曾经用模拟电路处理的功能被转换到了数字领域进行处理。可是自然界几乎所有的信号都是模拟的，如语音信号、图像信号、电磁波信号等，这些信号在进行数字域中的处理之前都需要用模数转换器进行数字量化。模数转换器作为搭建模拟数字电路的桥梁，成为现代信息处理中不可或缺的关键模块。
连续接近式寄存器型模数转换器（Successive Approximation Register Analogto Digital Converter,简称 SAR ADC）是中等至高等分辨率应用的常用模数转换结构，其使用一系列阶段将模拟电压转换成数字比特，其中每个阶段将一个模拟电压和一个参考电压进行比较，来产生一个数字比特。影响SAR ADC速度的主要原因就是由开关电容电路引入的时间延迟问题，时间延迟为RC，R为开关的导通电阻，C为电容。当转换的位数很高是，高位达到预期的参考电压会消耗较长的时间，这时会影响ADC的转换速度，因此，当ADC的分辨率提高，仍需要高速转换时，需要一种技术方案来解决快速到达预期参考电压。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，能够有效快速地到达预期参考电压。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，包括电压-电流转换模块、电荷再分布DAC模块、缓冲器模块、积分器模块、比较器模块和控制逻辑模块，所述电荷再分布DAC模块由电容器阵列及与所述电容器阵列相连的开关组成，所述电压-电流转换模块的电流输出端连接到电荷再分布DAC模块的输入端，所述电荷再分布DAC模块的输出端连接到积分器模块的输入端，所述缓冲器模块位于电荷再分布DAC模块和积分器模块之间，所述积分器模块的输出端连接到比较器模块的输入端，所述比较器模块的输出端连接到控制逻辑模块的输入端，所述控制逻辑模块的输出端连接到所述开关。
上述技术方案中，所述电容器阵列的电容一端接地，另一端连接到一个四端器件。
进一步技术方案，所述四端器件的四个接线端分别连接参考电压端、接地端、悬空端和缓冲器模块的输入端。
上述技术方案中，所述电容器阵列包括一个输入电压采样电容。
上述技术方案中，所述积分器模块采用开关电容积分器。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明以脉冲的形式对电荷再分布DAC模块中的电容器阵列充电，在采集输入信号电压和参考电压时采用注入与之相对应的电荷脉冲，从而不需要使电容器阵列充电至预期的电压，就可以得到对应的加权模拟电压，从而使本发明的模数转换器在分辨率很高的情况下仍能保持高速。
附图说明
图1是实施例一中本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，包括电压-电流转换模块、电荷再分布DAC模块、缓冲器模块、积分器模块、比较器模块和控制逻辑模块，所述电荷再分布DAC模块由电容器阵列及与所述电容器阵列相连的开关组成。
所述电压-电流转换模块的又称跨导放大器，它接受某个输入电压，并产生=A的输出电流，所述电压-电流转换模块的输出端口连接至电荷再分布DAC模块中电容器阵列的一端。
所述电荷再分布DAC模块的的输出端与积分器模块的输入端相连，中间接有一个缓冲器模块，电荷再分布DAC模块中的电容得到等量的固定电荷量后，可转换成一个模拟电压，因为电容器阵列的电容大小为C/2、C、2C、C、、C，其中包括一个容量为C/2采集输入电压的采样电容，所以转换后的模拟电压为、、、，成二进制权重关系，积分器模块之后会将此模拟电压与积分器模块上一结果累加。
所述积分器模块的输出端与比较器模块的输入端相连，积分器模块累加后会与参考电压比较，控制逻辑模块会对比较器模块输出的高低电平进行检测，并根据检测结果控制电荷再分布DAC模块中与电容器阵列所连接的开关，标识相应的数字比特位，并且已由参考电压脉冲充电的电容器阵列中电容都不能影响未由参考电压脉冲充电的电容器阵列中电容充电。
当比较器模块的输出状态不变时，继续在积分器模块一侧累加由参考电压脉冲转换的另一个模拟电压（进行下一位的比较，此时输出的数字比特位为1）；当比较器模块的输出状态翻转时，会在比较器模块相反的输入端加上前一状态在积分器模块上所累加的加权电压，从而使比较器模块输入端的差值回到上一状态（此时输出的数字比特位为0）
本实施例中，所述电容器阵列的所有电容一端接地，另一端连接到一个四端器件，所述四端器件的四个接线端分别连接参考电压端、接地端、悬空端和缓冲器模块的输入端。
本实施例中，电压-电流转换模块首先将、转换成相应的电流、，接着以脉冲的形式给电荷再分布DAC模块中的容量为C/2的输入采样电容充电，注入的电荷分别为、。所以输入采样电容得到的电压分别为、。此电压会通过缓冲器模块，在积分器模块的输出端得到电压（0）= ，（0）= ，此时，（0）、（0）通过比较器模块比较，会出现两种结果：①，则保持与相连的电荷再分布DAC模块的开关位置不变，控制与相连的电荷再分布DAC模块的开关位置，使； ，则保持与相连的电荷再分布DAC模块的开关位置不变，控制与相连的电荷再分布DAC模块的开关位置，使。
对于上述结果①，在逐次逼近的过程中，仍然先用电压-电流转换模块将参考电压转换成电流，然后同样以脉冲的形式分别给电荷再分布DAC模块中的容量为C、2C、C、、C的加权电容充电，每次注入的电荷都为，所以每个电容得到的一个模拟电压分别为、、、、，通过后面的缓冲器模块和积分器模块会使积分器模块的输出加上这些转换而成的成二进制权重关系的模拟电压，电压会升高。若比较器在某个逐次逼近的环节里面输出状态发生变化（输出的比特位第i位由1变成0），说明此时 ,此时需要在（j）的那端加上使比较器输出状态发生变化的二进制加权电压（仍然以脉冲的形式注入），此时比较器模块的输入端之间的差值回到了比较器输出状态翻转前的值。通过积分器模块、比较器模块连续的累加和比较，最终使比较器的两个输入端输入相等，此时比较器模块的两个输入，也就是。
本实施例中的比较器模块采用高速比较器，其设计基本原则是采用前置放大器使输入的变化足够大并将其加到锁存器上。例如，前置放大器可以由三个低增益的放大器级联而成，前置放大器的高带宽可使放大信号的延迟最小，通过前置放大器，同时也可以使输出到达最大值的时间最短。
由于本发明在采样和转换阶段，连接输入端口或者参考电压端口时都是给相同时间的脉冲，所以每个阶段给电荷再分布DAC模块里面的电容器阵列都是注入等量的电荷，而不是给充电至某个固定的参考电压，所以所需的时间较短，以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器在分辨率保持很高的情况下仍可以保持高速。
Claims (4)
1.一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，其特征在于：包括电压-电流转换模块、电荷再分布DAC模块、缓冲器模块、积分器模块、比较器模块和控制逻辑模块，所述电荷再分布DAC模块由电容器阵列及与所述电容器阵列相连的开关组成，所述电压-电流转换模块的电流输出端连接到电荷再分布DAC模块的输入端，所述电荷再分布DAC模块的输出端连接到积分器模块的输入端，所述缓冲器模块位于电荷再分布DAC模块和积分器模块之间，所述积分器模块的输出端连接到比较器模块的输入端，所述比较器模块的输出端连接到控制逻辑模块的输入端，所述控制逻辑模块的输出端连接到所述开关。
2.根据权利要求1所述的一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，其特征在于：所述电容器阵列的电容一端接地，另一端连接到一个四端器件。
3.根据权利要求1所述的一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，其特征在于：所述电容器阵列包括一个输入电压采样电容。
4.根据权利要求1所述的一种以脉冲充电形式实现的连续接近式寄存器型模数转换器，其特征在于：所述积分器模块采用开关电容积分器。
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