CN104485961A - 一种用于逐次逼近型模数转换器单调开关的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于逐次逼近型模数转换器单调开关的方法及电路，用于n位模数转换，包括比较器和n-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V_INP，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V_INN，所述的每对电容的下极板可选择的连接参考电压V_REF或地端GND。本发明通过上极板采样，无第一次功耗且单位电容数量减少，通过单调式开关方法，开关功耗大幅降低，并且电路结构简单可靠。

Description

一种用于逐次逼近型模数转换器单调开关的方法及电路

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单调开关的方法及电路。

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，V_INP，V_INN是差分输入信号，V_REF是参考电压，GND是地端，V_DACP是比较器正输入端，V_DACN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V_CM，下极板接差分输入信号。采样结束后，断开电容上极板与V_CM的连接，同时V_INP端MSB电容下极板接VREF，其余LSBs电容下极板接GND，而V_INN端MSB接GND，其余LSBs接V_REF。然后开始第一次比较过程。如果V_DACP小于V_DACN，则数字输出码为1，同时电容接法保持不变，反之V_DACP端MSB电容下极板从接V_REF切换为接GND，V_INN端MSB

电容下极板由接GND切换为接V_REF。接着V_DACP端MSB-1电容接V_REF，V_DACN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；

V_REF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

本发明提出了一种单调式开关方法，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半，并且该方法十分简单，能简化控制电路，从而使整个逐次逼近型模数转换器功耗大幅度降低。

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单调开关的方法，用于n位模数转换，包括比较器和n-1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V_INP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V_INN进行采样，所有电容下极板均连接参考电压V_REF，使得比较器两输入端的电压分别为V_INP、V_INN；

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V_DACP＝V_INP，V_DACN＝V_INN，i＝1：

当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为D(1)＝1，同时V_DACN端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时V_DACP＝V_DACP-V_REF/2；

当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为D(1)＝0，同时V_DACP端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时V_DACN＝V_DACN-V_REF/2；

MSB确定后，继续进行后续比较转换，以上述方式中每一次比较转换只有一个电容下极板状态发生变化，其余电容保持不变，一直进行此单调变化，直至确定LSB；

对于n位模数转换器，采用上述开关时序，其转换过程中平均开关功耗符合公式：

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；

V_REF为数模转换器参考电压。

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单调开关的电路，用于n位模数转换，包括比较器和n-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V_INP，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V_INN，所述的每对电容的下极板可选择的连接参考电压V_REF或地端GND。

进一步的，所述的n-1位二进制开关电容中，第一对电容的大小皆为C，第二至第n-1位电容的大小为Ci＝2^i-2C，i为2≤i≤n-1的自然数。

进一步的，当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为1，同时V_DACN端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变。

进一步的，当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为0，同时V_DACP端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变。

进一步的，采样结束时，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V_INP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V_INN断开。

本发明的有益效果是：

1、通过上极板采样，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、通过单调式开关方法，一次转换只有一个电容状态发生变化，且是向下操作，所以开关功耗大幅降低；并且由于开关方法只有一个电容变化，使得数字控制电路十分简单，功耗进一步降低，与上述省去的电容消耗一起，其功耗减少可达81％。

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位模数转换器电路及转换过程图；

图5为本发明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单调开关的方法，用于n位模数转换，包括比较器和n-1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2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和一对2C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V_INP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V_INN进行采样，所有电容下极板均连接参考电压V_REF，使得比较器两输入端的电压分别为V_INP、V_INN；

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V_DACP＝V_INP，V_DACN＝V_INN，i＝1：

当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为D(1)＝1，同时V_DACN端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时V_DACP＝V_DACP-V_REF/2；

当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为D(1)＝0，同时V_DACP端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变，此时V_DACN＝V_DACN-V_REF/2；

如图3所示，MSB确定后，继续进行后续比较转换，以上述方式中每一次比较转换只有一个电容下极板状态发生变化，其余电容保持不变，一直进行此单调变化，此外，D(i)＝1时V_DACP＝V_DACP-V_REF/2ⁱ，D(i)＝0时V_DACN＝V_DACN-V_REF/2ⁱ，i为大于等于1的正整数，直至确定LSB；

对于n位模数转换器，采用上述开关时序，其转换过程中平均开关功耗符合公式：

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；

V_REF为数模转换器参考电压。

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。

参照图4所示，一种用于逐次逼近型模数转换器单调开关的电路，用于3位模数转换，包括比较器和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V_INP，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V_INN，所述的每对电容的下极板可选择的连接参考电压V_REF或地端GND。

所述的2位3对二进制开关电容中，第1和第2对电容的大小皆为C，第3对电容的大小为2C。

当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为1，同时V_DACN端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变。

当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为0，同时V_DACP端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变。

采样结束时，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V_INP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V_INN断开。

本实施例采用本发明的开关方法后，所需要的单位电容数量减半，并且功耗减少了81％。

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单调开关的方法，用于n位模数转换，其特征在于，包括比较器和n-1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V_INP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V_INN进行采样，所有电容下极板均连接参考电压V_REF，使得比较器两输入端的电压分别为V_INP、V_INN；

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V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为1，同时V_DACP端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变；

当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为0，同时V_DACN端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，其余所有电容接法保持不变；

MSB确定后，继续进行后续比较转换，以上述方式中每一次比较转换只有一个电容下极板状态发生变化，其余电容保持不变，一直进行此单调变化，直至确定LSB；

对于n位模数转换器，采用上述开关时序，其转换过程中平均开关功耗符合公式：

平均功耗 $E=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(2^{n-2-i}\right){{\mathrm{CV}}_{\mathrm{REF}}}^2$

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；

V_REF为数模转换器参考电压。

2.根据权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换器单调开关的方法，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单调开关的电路，用于n位模数转换，其特征在于，包括比较器和n-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V_INP，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V_INN，所述的每对电容的下极板可选择的连接参考电压V_REF或地端GND。

4.根据权利要求3所述的用于逐次逼近型模数转换器单调开关的电路，其特征在于，所述的n-1位二进制开关电容中，参考电容为C，第一对电容的大小皆为C，第二至第n-1对电容的大小为Ci＝2^i-1C，i为2≤i≤n-1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单调开关的电路，其特征在于，当所述V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为1，同时V_DACP端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，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单调开关的电路，其特征在于，当所述V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为0，同时V_DACN端MSB电容下极板由V_REF切换到地端GND，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单调开关的电路，其特征在于，采样结束时，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V_INP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V_INN断开。