CN104467856A - 一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法，模数转换器包括电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近开关控制器，所述电容阵列数模转换器的输出端与比较器的输入端连接，所述比较器的输出端与逐次逼近开关控制器的输入端连接，所述逐次逼近开关控制器的输出端与电容阵列数模转换器的开关控制端连接，且本发明提出的模数转换方法在第1、2次比较电容阵列不消耗能量，第3次至第N次比较中，参与转换的电容总电容值为2^i-1个单位电容C，其中，i为3≤i≤N的自然数，每次比较电容阵列消耗的能量均比传统结构消耗的能量小，能够有效减小电容阵列的平均开关功耗。本发明可广泛应用于集成电路领域。

Description

一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法。

背景技术

逐次逼近型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，而逐次逼近型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不断减小，而模拟电路的功耗却很难随着工艺的进步而减小。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能有效减小电容阵列的平均开关功耗的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近开关控制器，所述电容阵列数模转换器的输出端与比较器的输入端连接，所述比较器的输出端与逐次逼近开关控制器的输入端连接，所述逐次逼近开关控制器的输出端与电容阵列数模转换器的开关控制端连接。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述电容阵列数模转换器包括同相电容阵列和反相电容阵列，所述同相电容阵列的输出端连接至比较器的同相输入端，所述反相电容阵列的输出端连接至比较器的反相输入端。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述同相电容阵列包括N-1个同相电容单元，所述N-1个同相电容单元中的第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个同相电容单元和第2个同相电容单元的下极板均连接至比较器的同相输入端，所述第3个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个同相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述第1个同相电容单元和第2个同相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个同相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个同相电容单元的子电容的下极板和第2个同相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器的同相输入端，所述第1个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个同相电容单元至第N-2个同相电容单元中，所述第i个同相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个同相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个同相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个同相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个同相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个同相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个同相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个同相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述反相电容阵列包括N-1个反相电容单元，所述N-1个反相电容单元中的第2个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个反相电容单元和第2个反相电容单元的下极板均连接至比较器的反相输入端，所述第3个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个反相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述第1个反相电容单元和第2个反相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个反相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个反相电容单元的子电容的下极板和第2个反相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器的反相输入端，所述第1个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个反相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个反相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个反相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个反相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个反相电容单元至第N-2个反相电容单元中，所述第i个反相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个反相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个反相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个反相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个反相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个反相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个反相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个反相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个反相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的模数转换方法，包括以下步骤：

A、采样：

将所有同相电容单元和反相电容单元的内部开关闭合，并将所有同相电容单元和反相电容单元的子电容上极板通过开关选择连接共模电压，模拟输入信号经过电容阵列数模转换器得到保持信号；

B、第1次比较：

比较器对同相输入端和反相输入端的保持信号进行比较，并输出第1次比较结果D(1)；

C、第2次比较：

根据第1次比较结果D(1)，

当D(1)=1时，反相电容阵列的所有反相电容单元的上极板接入参考电压；

当D(1)=0时，同相电容阵列的所有同相电容单元的上极板接入参考电压；

将所有同相电容单元和反相电容单元的内部开关断开，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第2次比较结果D(2)；

D、第3次比较：

根据第1次比较结果D(1)和第2次比较结果D(2)，

当D(1)D(2)=11时，第2个同相电容单元的子电容的上极板接入地；

当D(1)D(2)=10时，第2个反相电容单元的子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)=01时，第2个同相电容单元的子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)=00时，第2个反相电容单元的子电容的上极板接入地；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第3次比较结果D(3)；

E、第i次比较：

根据第1次比较结果D(1)、第2次比较结果D(2)和第i-1次比较结果D(i-1)；

当D(1)D(2)D(i-1)=111时，第i-1个同相电容单元的第1个子电容的上极板接入地；

当D(1)D(2)D(i-1)=110时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=101时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=100时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)D(i-1)=011时，第i-1个同相电容单元的第1个子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)D(i-1)=010时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=001时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=000时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入地；

将第i-1个同相电容单元和第i-1个反相电容单元的内部开关闭合，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第i次比较结果，其中i为4≤i≤N的自然数，N表示模数转换器位数，i的初始值为4；

F、i增加1，并返回执行步骤E，直到输出第N次比较结果，则结束。

本发明的有益效果是：

本发明一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器及其转换方法，高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器由电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近开关控制器构成，其中电容阵列数模转换器结构采用了本发明提出的高能效电容阵列数模转换器结构，且本发明提出的模数转换方法在第1、2次比较电容阵列不消耗能量，第3次至第N次比较中，参与转换的电容总电容值为2^i-1个单位电容C，其中，i为3≤i≤N的自然数，每次比较电容阵列消耗的能量均比传统结构消耗的能量小，能够有效减小电容阵列的平均开关功耗。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的结构示意图；

图2是本发明中的电容阵列数模转换器的结构示意图；

图3是本发明的电容阵列数模转换器中的同相电容阵列的结构示意图；

图4是本发明的电容阵列数模转换器中的反相电容阵列的结构示意图；

图5是本发明的8位逐次逼近型模数转换器的结构示意图；

图6是本发明实施例4位电容阵列数模转换器的开关转换示意图；

图7是本发明一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的模数转换方法的步骤流程图。

具体实施方式

参考图1，本发明一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，包括电容阵列数模转换器1、比较器2和逐次逼近开关控制器3，所述电容阵列数模转换器1的输出端与比较器2的输入端连接，所述比较器2的输出端与逐次逼近开关控制器3的输入端连接，所述逐次逼近开关控制器3的输出端与电容阵列数模转换器1的开关控制端连接。

参考图2，作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述电容阵列数模转换器1包括同相电容阵列11和反相电容阵列12，所述同相电容阵列11的输出端连接至比较器2的同相输入端，所述反相电容阵列12的输出端连接至比较器2的反相输入端。

参考图3，作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述同相电容阵列11包括N-1个同相电容单元，所述N-1个同相电容单元中的第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个同相电容单元和第2个同相电容单元的下极板均连接至比较器2的同相输入端，所述第3个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个同相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述第1个同相电容单元和第2个同相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个同相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个同相电容单元的子电容的下极板和第2个同相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器2的同相输入端，所述第1个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个同相电容单元至第N-2个同相电容单元中，所述第i个同相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个同相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个同相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个同相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个同相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个同相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个同相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个同相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。

参考图4，作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述反相电容阵列12包括N-1个反相电容单元，所述N-1个反相电容单元中的第2个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个反相电容单元和第2个反相电容单元的下极板均连接至比较器2的反相输入端，所述第3个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个反相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

作为所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的进一步改进，所述第1个反相电容单元和第2个反相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个反相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个反相电容单元的子电容的下极板和第2个反相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器2的反相输入端，所述第1个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个反相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个反相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个反相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个反相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个反相电容单元至第N-2个反相电容单元中，所述第i个反相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个反相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个反相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个反相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个反相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个反相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个反相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个反相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个反相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。

参考图7，本发明一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的模数转换方法，包括以下步骤：

A、采样：

将所有同相电容单元和反相电容单元的内部开关闭合，并将所有同相电容单元和反相电容单元的子电容上极板通过开关选择连接共模电压，模拟输入信号经过电容阵列数模转换器1得到保持信号；

B、第1次比较：

比较器2对同相输入端和反相输入端的保持信号进行比较，并输出第1次比较结果D(1)；

C、第2次比较：

根据第1次比较结果D(1)，

当D(1)=1时，反相电容阵列12的所有反相电容单元的上极板接入参考电压；

当D(1)=0时，同相电容阵列11的所有同相电容单元的上极板接入参考电压；

将所有同相电容单元和反相电容单元的内部开关断开，电容阵列数模转换器1开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第2次比较结果D(2)；

D、第3次比较：

根据第1次比较结果D(1)和第2次比较结果D(2)，

当D(1)D(2)=11时，第2个同相电容单元的子电容的上极板接入地；

当D(1)D(2)=10时，第2个反相电容单元的子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)=01时，第2个同相电容单元的子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)=00时，第2个反相电容单元的子电容的上极板接入地；

电容阵列数模转换器1开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第3次比较结果D(3)；

E、第i次比较：

根据第1次比较结果D(1)、第2次比较结果D(2)和第i-1次比较结果D(i-1)；

当D(1)D(2)D(i-1)=111时，第i-1个同相电容单元的第1个子电容的上极板接入地；

当D(1)D(2)D(i-1)=110时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=101时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=100时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)D(i-1)=011时，第i-1个同相电容单元的第1个子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)D(i-1)=010时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=001时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=000时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入地；

将第i-1个同相电容单元和第i-1个反相电容单元的内部开关闭合，电容阵列数模转换器1开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第i次比较结果，其中i为4≤i≤N的自然数，N表示模数转换器位数，i的初始值为4；

F、i增加1，并返回执行步骤E，直到输出第N次比较结果，则结束。

参考图5和图6，本发明的实施例的工作原理如下：

S1、采样：

开关701闭合，所有电容的上极板接共模电压Vcm，模拟输入信号经过电容阵列数模转换器1得到保持信号；

S2、第1次比较：

断开采样开关，保持开关702闭合，根据电容阵列上的保持信号，比较器2比较Vip和Vin的大小，输出第1次比较结果D(1)，第1次比较电容阵列消耗能量为0；

S3、第2次比较：

根据第1次比较结果D(1)，

当Vip>Vin时，即D(1)=1时，反相电容阵列12的所有电容的上极板接参考电压Vref，开关703断开，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和Vref/2的大小，输出第2次比较结果D(2)，第2次比较电容阵列消耗能量为0；

当Vip<Vin时，即D(1)=0时，同相电容阵列11的所有电容的上极板接Vref，开关704断开，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-Vref/2的大小，输出第2次比较结果D(2)，第2次比较电容阵列消耗能量为0；

S4、第3次比较：

根据第1次比较结果D(1)和第2次比较结果D(2)，

当Vref/2<Vip-Vin<Vref时，即D(1)D(2)=11时，保持开关705断开，同相电容阵列11第2个同相电容单元的子电容上极板接地，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和3Vref/4的大小，输出第3次比较结果D(3)，第3次比较电容阵列消耗能量为                                               ；

当0<Vip-Vin<Vref/2时，即D(1)D(2)=10时，保持开关706断开，反相电容阵列12第2个反相电容单元的子电容上极板接共模电压Vcm，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和Vref/4的大小，输出第3次比较结果D(3)，第3次比较电容阵列消耗能量为；

当-Vref/2<Vip-Vin<0时，即D(1)D(2)=01时，保持开关707断开，同相电容阵列11第2个同相电容单元的子电容上极板接共模电压Vcm，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-Vref/4的大小，输出第3次比较结果D(3)，第3次比较电容阵列消耗能量为；

当-Vref<Vip-Vin<-Vref/2时，即D(1)D(2)=00时，保持开关708断开，反相电容阵列12第2个反相电容单元的子电容上极板接地，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-3Vref/4的大小，输出第3次比较结果D(3)，第3次比较电容消耗能量为；

S5、第4次比较：

根据第1次比较结果D(1)、第2次比较结果D(2)和第3次比较结果D(3)，

当3Vref/4<Vip-Vin<Vref时，即D(1)D(2)D(3)=111时，同相电容阵列11第3个同相电容单元的子电容上极板接地，开关709闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和7Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当Vref/2<Vip-Vin<3Vref/4时，即D(1)D(2)D(3)=110时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变，开关710闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和5Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当Vref/4<Vip-Vin<Vref/2时，即D(1)D(2)D(3)=101时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变，开关711闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和3Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当0<Vip-Vin<Vref/4时，即D(1)D(2)D(3)=100时，反相电容阵列12第3个反相电容单元的子电容上极板接共模电压Vcm，开关712闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当-Vref/4<Vip-Vin<0时，即D(1)D(2)D(3)=011时，同相电容阵列11第3个同相电容单元的子电容上极板接共模电压Vcm，开关713闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当-Vref/2<Vip-Vin<-Vref/4时，即D(1)D(2)D(3)=010时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变，开关714闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-3Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当-3Vref/4<Vip-Vin<-Vref/2时，即D(1)D(2)D(3)=001时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变，开关715闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-5Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为；

当-Vref<Vip-Vin<-3Vref/4时，即D(1)D(2)D(3)=000时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入地，反相电容阵列12第3个反相电容单元的子电容上极板接地，开关716闭合，电容阵列数模转换器1开始电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器2比较Vip-Vin和-7Vref/8的大小，输出第4次比较结果D(4)，第4次比较电容阵列消耗能量为。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近开关控制器，所述电容阵列数模转换器的输出端与比较器的输入端连接，所述比较器的输出端与逐次逼近开关控制器的输入端连接，所述逐次逼近开关控制器的输出端与电容阵列数模转换器的开关控制端连接。

2.根据权利要求1所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述电容阵列数模转换器包括同相电容阵列和反相电容阵列，所述同相电容阵列的输出端连接至比较器的同相输入端，所述反相电容阵列的输出端连接至比较器的反相输入端。

3.根据权利要求2所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述同相电容阵列包括N-1个同相电容单元，所述N-1个同相电容单元中的第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个同相电容单元和第2个同相电容单元的下极板均连接至比较器的同相输入端，所述第3个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个同相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元至第N-1个同相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

4.根据权利要求3所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述第1个同相电容单元和第2个同相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个同相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个同相电容单元的子电容的下极板和第2个同相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器的同相输入端，所述第1个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个同相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个同相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个同相电容单元至第N-2个同相电容单元中，所述第i个同相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个同相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个同相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个同相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个同相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个同相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个同相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个同相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个同相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个同相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。

5.根据权利要求2所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述反相电容阵列包括N-1个反相电容单元，所述N-1个反相电容单元中的第2个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的下极板之间依次通过开关连接，第1个反相电容单元和第2个反相电容单元的下极板均连接至比较器的反相输入端，所述第3个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的上极板之间依次通过开关连接，所述第1个反相电容单元的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个反相电容单元至第N-1个反相电容单元的上极板分别通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述其中N表示模数转换器位数。

6.根据权利要求5所述的一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述第1个反相电容单元和第2个反相电容单元分别包括1个电容值为单位电容C的子电容，所述第3个反相电容单元分别包括1个电容值为2个单位电容C的子电容，所述第1个反相电容单元的子电容的下极板和第2个反相电容单元的子电容的下极板均连接至比较器的反相输入端，所述第1个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压，所述第2个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个反相电容单元的子电容的上极板通过开关选择连接共模电压或参考电压或地，所述第3个反相电容单元的子电容的上极板通过开关与第4个反相电容单元的第2个子电容相连，所述第3个反相电容单元的子电容的下极板通过开关与第2个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第3个反相电容单元的子电容的下极板通过开关与第4个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第4个反相电容单元至第N-2个反相电容单元中，所述第i个反相电容单元包括子电容的数量为i-2，所述第i个反相电容单元中，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第i-2个子电容的电容值分别为C_j=2^j-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第1个子电容的上极板通过开关与第i+1个反相电容单元的第2个子电容相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i-1个反相电容单元的第1个子电容至第i-3个子电容的上极板相连，所述第2个子电容至第i-2个子电容的上极板分别通过开关与第i+1个反相电容单元的第3个子电容至第i-1个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第i-1个反相电容单元的子电容的下极板连接，所述第1个子电容至第i-2个子电容的下极板通过开关与第i+1个反相电容单元的子电容的下极板相连，其中，i为4≤i≤N-2的自然数，j为2≤j≤i-2的自然数，C_j表示第j个子电容的电容值，所述第N-1个反相电容单元包括子电容的数量为N-3，第1个子电容的电容值为2个单位电容C，第2个至第N-3个子电容的电容值分别为C_k=2^k-1C，所述第1个子电容的上极板通过开关选择连接参考电压或共模电压或地，所述第2个子电容至第N-3个子电容的上极板分别通过开关与第N-2个反相电容单元的第1个子电容至第N-4个子电容的上极板相连，所述第1个子电容至第N-3个子电容的下极板耦合在一起通过开关与第N-2个反相电容单元的子电容的下极板连接，其中，k为2≤k≤N-3的自然数，C_k表示第k个子电容的电容值。

7.一种高能效电容阵列逐次逼近型模数转换器的模数转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、采样：

将所有同相电容单元和反相电容单元的内部开关闭合，并将所有同相电容单元和反相电容单元的子电容上极板通过开关选择连接共模电压，模拟输入信号经过电容阵列数模转换器得到保持信号；

B、第1次比较：

比较器对同相输入端和反相输入端的保持信号进行比较，并输出第1次比较结果D(1)；

C、第2次比较：

根据第1次比较结果D(1)，

当D(1)=1时，反相电容阵列的所有反相电容单元的上极板接入参考电压；

当D(1)=0时，同相电容阵列的所有同相电容单元的上极板接入参考电压；

将所有同相电容单元和反相电容单元的内部开关断开，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第2次比较结果D(2)；

D、第3次比较：

根据第1次比较结果D(1)和第2次比较结果D(2)，

当D(1)D(2)=11时，第2个同相电容单元的子电容的上极板接入地；

当D(1)D(2)=10时，第2个反相电容单元的子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)=01时，第2个同相电容单元的子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)=00时，第2个反相电容单元的子电容的上极板接入地；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第3次比较结果D(3)；

E、第i次比较：

根据第1次比较结果D(1)、第2次比较结果D(2)和第i-1次比较结果D(i-1)；

当D(1)D(2)D(i-1)=111时，第i-1个同相电容单元的第1个子电容的上极板接入地；

当D(1)D(2)D(i-1)=110时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=101时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=100时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)D(i-1)=011时，第i-1个同相电容单元的第1个子电容的上极板接入共模电压；

当D(1)D(2)D(i-1)=010时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=001时，所有同相电容单元和反相电容单元的第1个子电容的上极板接入电压保持不变；

当D(1)D(2)D(i-1)=000时，第i-1个反相电容单元的第1个子电容的上极板接入地；

将第i-1个同相电容单元和第i-1个反相电容单元的内部开关闭合，电容阵列数模转换器开始进行电荷重分布，当电荷重分布完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第i次比较结果，其中i为4≤i≤N的自然数，N表示模数转换器位数，i的初始值为4；

F、i增加1，并返回执行步骤E，直到输出第N次比较结果，则结束。