CN104485960A - 一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法及电路，包括比较器和n-2位二进制开关电容，其中：在采样阶段，每对电容中第一个电容的上极板对差分输入信号VINP进行采样，每对电容中第二个电容的上极板对差分输入信号VINN进行采样，所有电容下极板均接地端GND，采样结束后，开始第一次比较：当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变；当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。本发明通过三电平开关方法，使得数模转换器的开关功耗大幅度降低，所需单位电容数量减少4倍。

Description

一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法及电路
技术领域
本发明涉及数模混合集成电路设计领域，尤其涉及一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法及电路。
背景技术
传统结构的逐次逼近型模数转换器开关过程如图1所示。图1中C是单位电容，VINP，VINN是差分输入信号，VREF是参考电压，GND是地端，VDACP是比较器正输入端，VDACN是比较器负输入端，MSB(Most Significant Bit最高位电容)这里指最大电容。图1中，采样阶段所有电容上极板均接输入共模电压VCM，下极板接差分输入信号。采样结束后，断开电容上极板与VCM的连接，同时VINP端MSB电容下极板接VREF，其余LSBs电容下极板接GND，而VINN端MSB接GND，其余LSBs接VREF。然后开始第一次比较过程。如果VDACP小于VDACN，则数字输出码为1，同时电容接法保持不变，反之VDACP端MSB电容下极板从接VREF切换为接GND，VINN端MSB
电容下极板由接GND切换为接VREF。接着VDACP端MSB-1电容接VREF，VDACN端MSB-1电容接GND。开始第二次比较，根据比较结果确定相应的位电容保持不变还是重新切换接GND，直到LSB确定。整个过程中VDACP端电容下极板接法与VDACN端相反。图1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为数模转换器的位数；
C为数模转换器的单位电容值；
VREF为数模转换器的参考电平。
传统结构开关时序控制的逐次逼近波形如图2所示。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
本发明的目的是在列车乘客信息系统的基础上，基于8位单片机实现的多路独立音频输出。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法，用于n位模数转换，包括比较器和n-2位二进制开关电容，其中：
在采样阶段，每对电容中第一个电容的上极板对差分输入信号VINP进行采样，每对电容中第二个电容的上极板对差分输入信号VINN进行采样，所有电容下极板均接地端GND，使得比较器两输入端的电压分别为VINP、VINN；
采样结束后，电容上极板断开与相应输入信号的连接，开始第一次比较，其中VDACP(i)＝VINP，VDACN(i)＝VINN，i＝1：
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)+VREF/2，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝1；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变，此时VDACP(i+1)＝VDACP(i)+VREF/2，VDACN(i+1)＝VDACN(i)，其中i＝1；
MSB确定后，开始第二次比较，此时i＝i+1＝2；
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，如果MSB＝1，VDACN端MSB电容下极板由VCM切换到VREF，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)-VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，如果MSB＝1，VDACN端MSB电容下极板由VCM切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)+VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，如果MSB＝0，VDACP端MSB电容下极板由VCM切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)-VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，如果MSB＝0，VDACP端MSB电容下极板由VCM切换到VREF，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)+VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
按照该方法一直操作，直至确定LSB。
进一步的，从采样到第一次比较之间的转换没有能量消耗。
一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，用于n位模数转换，包括比较器和n-2位二进制开关电容，所述的每对电容中第一个电容的上极板分别连接比较器的正相输入端和差分输入信号端VINP，所述的每对电容中第二个电容的上极板分别连接比较器的反相输入端和差分输入信号端VINN，所述的每对电容的下极板可选择的连接共模电压VCM、参考电压VREF或地端GND中的一种。
进一步的，所述的n对二进制开关电容中，第一位电容的大小皆为C，第二至第n-2对电容的大小为Ci＝2i-2C，i为2≤i≤n-2的自然数。
进一步的，当所述VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。
进一步的，当所述VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。
进一步的，采用结束时，所述的每对电容中第一个电容的上极板与差分输入信号端VINP断开，所述的每对电容中第二个电容的上极板与差分输入信号端VINN断开。
本发明的有益效果是：
1、通过上极板采样方法，从采样到第一次比较之间的转换没有能量消耗，并且单位电容数量减半。
2、通过三电平参考方式，单位电容数量再一次减半，并且功耗进一步降低。
附图说明
图1为传统结构的逐次逼近型模数转换器开关转换过程图；
图2为传统结构开关时序控制的逐次逼近波形图；
图3为本发明方法流程图；
图4为本发明实施例中以3位三电平模数转换器电路及转换过程图；
图5为本发明三电平开关时序控制的逐次逼近波形图；
图6为本发明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。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图3和图4所示，一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法，用于n位模数转换，包括比较器和n-2位二进制开关电容，在本实施例中以3位模数转换器为例，对于3位模数转换器，包括1位二进制开关电容，只需两对参考电容C大小的二进制开关电容，其中：
在采样阶段，每对电容中第一个电容的上极板对差分输入信号VINP进行采样，每对电容中第二个电容的上极板对差分输入信号VINN进行采样，所有电容下极板均接地端GND，使得比较器两输入端的电压分别为VINP、VINN；
采样结束后，电容上极板断开与相应输入信号的连接，开始第一次比较，其中VDACP(i)＝VINP，VDACN(i)＝VINN，i＝1：
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)+VREF/2，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝1；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变，此时VDACP(i+1)＝VDACP(i)+VREF/2，VDACN(i+1)＝VDACN(i)，其中i＝1；
MSB确定后，开始第二次比较，此时i＝i+1＝2；
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，如果MSB＝1，VDACN端MSB电容下极板由VCM切换到VREF，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)-VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，如果MSB＝1，VDACN端MSB电容下极板由VCM切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)+VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，如果MSB＝0，VDACP端MSB电容下极板由VCM切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)-VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，如果MSB＝0，VDACP端MSB电容下极板由VCM切换到VREF，其余所有电容接法保持不变，此时VDACN(i+1)＝VDACN(i)+VREF/2i+1，VDACP(i+1)＝VDACP(i)，其中i＝2；
按照该方法一直操作，直至确定LSB。
从采样到第一次比较之间的转换没有能量消耗。
继续参照图4所示，一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，用于3位模数转换，包括比较器和1位二进制开关电容，所述的每对电容中第一个电容的上极板分别连接比较器的正相输入端和差分输入信号端VINP，所述的每对电容中第二个电容的上极板分别连接比较器的反相输入端和差分输入信号端VINN，所述的每对电容的下极板可选择的连接共模电压VCM、参考电压VREF或地端GND中的一种。
所述的2对二进制开关电容中，第一位电容的大小皆为C，第2对电容的大小也皆为C。
当所述VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。
当所述VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。
采用结束时，所述的每对电容中第一个电容的上极板与差分输入信号端VINP断开，所述的每对电容中第二个电容的上极板与差分输入信号端VINN断开。
上述实施例中采用本发明的开关方法后，所需要的单位电容数量减少4倍，并且能耗为42.1CVref2，相对于传统结构减少了96.7％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法，用于n位模数转换，其特征在于，包括比较器和n-2位二进制开关电容，其中：
在采样阶段，每对电容中第一个电容的上极板对差分输入信号VINP进行采样，每对电容中第二个电容的上极板对差分输入信号VINN进行采样，所有电容下极板均接地端GND，使得比较器两输入端的电压分别为VINP、VINN；
采样结束后，电容上极板断开与相应输入信号的连接，开始第一次比较：
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变；
MSB确定后，开始第二次比较；
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，如果MSB＝1，VDACN端MSB电容下极板由VCM切换到VREF，其余所有电容接法保持不变；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，如果MSB＝1，VDACN端MSB电容下极板由VCM切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变；
当VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，如果MSB＝0，VDACP端MSB电容下极板由VCM切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变；
当VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，如果MSB＝0，VDACP端MSB电容下极板由VCM切换到VREF，其余所有电容接法保持不变；
按照该方法一直操作，直至确定LSB。
2.根据权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的方法，其特征在于，从采样到第一次比较之间的转换没有能量消耗。
3.一种用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，用于n位模数转换，其特征在于，包括比较器和n-2位二进制开关电容，所述的每对电容中第一个电容的上极板分别连接比较器的正相输入端和差分输入信号端VINP，所述的每对电容中第二个电容的上极板分别连接比较器的反相输入端和差分输入信号端VINN，所述的每对电容的下极板可选择的连接共模电压VCM、参考电压VREF或地端GND中的一种。
4.根据权利要求3所述的用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，其特征在于，所述的n对二进制开关电容中，参考电容为C，第一位电容的大小皆为C，第二至第n-2位电容的大小为Ci＝2i-1C，i为2≤i≤n-2的自然数。
5.根据权利要求3所述的用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，其特征在于，当所述VDACP大于VDACN时，比较器输出数字码为1，同时VDACN端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。
6.根据权利要求3所述的用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，其特征在于，当所述VDACP小于VDACN时，比较器输出数字码为0，同时VDACP端所有电容下极板由地端GND切换到共模电压VCM，其余所有电容接法保持不变。
7.根据权利要求3所述的用于逐次逼近型模数转换器三电平开关的电路，其特征在于，采用结束时，所述的每对电容中第一个电容的上极板与差分输入信号端VINP断开，所述的每对电容中第二个电容的上极板与差分输入信号端VINN断开。
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