CN104660262B - 电容电阻混合型sar adc - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容型SAR ADC，包括一传统电容型SAR ADC，还包括:一斜率产生模块；所述斜率产生模块是一电容，其与所述统电容型SAR ADC最小单位电容容值相同；所述斜率产生模块，其上极板接共模电压时，其下极板接第一指定电压；所述斜率产生模块，其上极板接DAC的输出电压时，其下极板接第二指定电压。本发明电容型SARADC能消除共模电压偏差效应，避免出现转化错误。

Description

电容电阻混合型SAR ADC
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种电容电阻混合型SAR ADC(逐次逼近寄存器型模拟数字转换器)。
背景技术
SAR ADC是采样速率低于5Msps的中等至高分辨率应用的常见结构。SAR ADC的分辨率一般为8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特点。这些特点使SAR ADC获得了很广的应用范围，例如便携式电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据信号采集器等。
如图1所示，一种传统电容型SAR ADCC；对于传统的SAR ADC，在转换过程中，比较器的两个输入端的电压分别为：Vp＝Vcm，Vn＝Vcm+(Vdac-Vin)，这里，Vp为比较器正极输入端，Vn为比较器负极输入端，Vcm为共模输入电压；由于Vcm的电压约为VREF/2，但由于工艺的偏差，及开关的等效电阻，导致Vcm不可能恰好为VREF/2，会略大于或者略小于VREF/2，而Vdac为VREF/2，VREF/4...，输入电压Vin的范围为0～VREF；
那么，当输入电压最小为0时，第一次比较时，Vn＝Vcm+VREF/2，当Vcm>VREF/2时，Vn>VREF，与Vcm相连的开关(P管的sub电位为VREF)则会通过sub产生漏电，则电容上存储的电荷总量将减小，即电荷将不守恒；
当输入电压最大为VREF时，第一次比较时，Vn＝Vcm-VREF/2，当Vcm<VREF/2时，Vn<0，与Vcm相连的开关(N管的sub电位为VGND)则会通过sub产生漏电，则电容上存储的电荷总量将减小，即电荷将不守恒；以上两种情况会降低ADC精度，造成转换错误。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能消除共模电压偏差效应电容电阻混合型SAR ADC。
为解决上述技术问题，本发明的电容电阻混合型SAR ADC，高位为M位电容型DAC电路，其中DAC为二进制加权电容，命名为C0，C1，...CM-1，假设单位电容的大小为Cu，则M位电容型DAC电路为Cu，2Cu，22Cu...2M-1Cu；低位为K位电阻型DAC电路，其中DAC为等阻值串联电阻，命名为R0，R1，...R2K-1，假设单位电阻的大小为Ru，则K位电阻型DAC电路总有2KRu，M+K＝N，N为ADC的比特数；
以及，一斜率产生模块，所述斜率产生模块是一电容，其与电容型SAR ADC最小单位电容容值相同；
采样过程共模电压开关导通，斜率产生模块上极板接共模电压，斜率产生模块下极板接第一指定电压；高位电容型DAC电路各电容上极板接共模电压,高位电容型DAC电路各电容下极板接输入电压；
转换过程共模电压开关断开，斜率产生模块上极板接DAC的输出电压，斜率产生模块下极板接第二指定电压；高位电容型DAC电路各电容上极板接DAC的输出电压，高位电容型DAC电路电容CM-1下极板接参考电压，其余电容下极板接地电压；
其中，电容型SAR ADC比较器两个输入端的电压为：Vp＝Vcm，Vn＝Vcm+K1*(Vdac-Vin)；K1小于1能根据Vcm的偏差范围设定，Vp为比较器正极输入端，Vn为比较器负极输入端，Vcm为共模输入电压,Vin是输入电压,Vdac为VREF/2、VREF/22...VREF/2M-1。
本发明在传统的电容电阻混合型SAR ADC结构中，增加了一个斜率产生模块，该模块与其他电容的接法近似相同，但在采样/转换的过程与不同的电压相连以实现其功能。
增加的斜率产生模块，其电容大小与传统的最小单位电容的容值相同；该模块的上极板与共模电压或者与DAC的输出相连，下极板根据其所在的工作模式与指定电压；
在采样过程中，传统的电容上极板分别接共模电压，下极板接输入电压Vin；对于增加的斜率产生电路，该模块的上极板与共模电压相连，下极板与第一指定电压V1相连；
在转换过程中，传统的电容上极板分别接DAC的输出电压，下极板分别接VREF(参考电压)或者VGND(地电压)；对于增加的斜率产生电路，该模块的上极板与DAC的输出相连，下极板与第二指定电压V2。
传统SAR ADC的比较器的两个输入端的电压分别为：Vp＝Vcm，Vn＝Vx＝Vcm+(Vdac-Vin)，本发明将比较器两个输入端的电压调整为：Vp＝Vcm，Vn＝Vcm+K1*(Vdac-Vin)；通常K1略小于1，能根据Vcm的偏差范围设定，这样Vn的值会略大于VGND，小于VREF，不会出现电压溢出的情况，电荷泄露的问题便可以有效地消除，就能消除共模电压偏差效应造成的转换错误。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是传统电容型SAR ADC的结构示意图。
图2是本发明实施例的结构示意图。
图3是传统的电容型SAR ADC的仿真示意图。
图4是本发明电容电阻混合型SAR ADC的仿真示意图。
附图标记
A斜率产生模块
B电荷泄露区域
具体实施方式
如图2所示，本发明一实施例以电容/电阻混合型结构的SAR ADC为例，高位为电容型，为M位，低位为电阻型，为K位，这里，M+K＝N，N为ADC的比特数。
M bit电容型DAC电路，其中DAC为二进制加权电容，命名为C0，C1，...CM-1，假设单位电容的大小为Cu，则M bit电容型DAC电路为Cu，2Cu，22Cu...2M-1Cu；
K bit电阻型DAC电路，其中DAC为等阻值串联电阻，命名为假设单位电阻的大小为Ru，则K bit电阻型DAC电路总有2KRu；
斜率产生模块，其为一电容，命名为Ca，其大小与最小单位电容容值相等，即为Cu；
输入电压Vin，DAC的输出电压Vx，第一指定电压V1，共模电压Vcm和与共模电压相连的开关S1；
本发明实施例SAR ADC的工作原理如下：
在采样过程中，开关S1导通，则传统结构中的电容C0，C1，...CM-1的上极板接Vcm，斜率产生模块的电容Ca的上极板接Vcm；传统结构中的电容C0，C1，...CM-1的下极板接Vin，斜率产生模块的电容Ca的下极板接V1；则电容上所带的总电量为Qs＝2MCu×(Vin-Vcm)+Cu×(V1-Vcm)；
在第一次转换过程中，开关S1断开，则传统结构中的电容C0，C1，...CM-1的上极板floating(悬空)，设电压为Vx，斜率产生模块的电容Ca的上极板同样floating；传统结构中的电容CM-1的下极板接VREF，其余的传统结构中的电容接VGND，斜率产生模块电容Ca的下极板接VGND；则电容上所带的总电量为Qc＝2M-1Cu×(VREF-Vx)+2M-1Cu×(0-Vx)+Cu×(0-Vx)；
采样和转换过程中，电容上的电荷总量应保持不变，即Qs＝Qc；那么，
在第一次转换过程中，则
在通常的设计当中，会将输入输出曲线进行平移，令
M+K＝N，那么，
通过以上分析可以得到，Vdac-Vin有了一定的斜率设Vcm的偏差为±ΔVcm，设计时，令则由于共模电压的偏差带来的比较器输入电压的范围大于量程的问题即可解决，即Vx∈(0,VREF)，那么与共模电压相连的开关S1便不会产生与衬底漏电的问题。
如图3所示，传统的电容型SAR ADC的仿真示意图，可以发现在转换开始时，由于Vcm的偏差造成Vn大于VREF，而造成电荷泄露。
如图4所示，本发明SAR ADC的仿真示意图，VREF＝3.3V的条件下，输入电压为3.2V，正确的输出的为1111100000，由于共模电压的偏差导致电容上总的电量减小，则输出有可能变为1111011111，甚至更小；采用本发明SAR ADC后，消除了该偏差，输出为正确值。该方法在测试结果中已得到验证。
在极限条件令M＝N，K＝0，此本发明的SAR ADC结构依然适用。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电容电阻混合型SAR ADC，其特征是：高位为M位电容型DAC电路，其中DAC为二进制加权电容，命名为C0，C1，...CM-1，假设单位电容的大小为Cu，则M位电容型DAC电路为Cu，2Cu，22Cu...2M-1Cu；低位为K位电阻型DAC电路，其中DAC为等阻值串联电阻，命名为R0，R1，...假设单位电阻的大小为Ru，则K位电阻型DAC电路总有2KRu，M+K＝N，N为ADC的比特数；
以及，一斜率产生模块，所述斜率产生模块是一电容，其与电容型SAR ADC最小单位电容容值相同；
采样过程共模电压开关导通，斜率产生模块上极板接共模电压，斜率产生模块下极板接第一指定电压；高位电容型DAC电路各电容上极板接共模电压,高位电容型DAC电路各电容下极板接输入电压；
转换过程共模电压开关断开，斜率产生模块上极板接DAC的输出电压，斜率产生模块下极板接第二指定电压；高位电容型DAC电路各电容上极板接DAC的输出电压，高位电容型DAC电路电容CM-1下极板接参考电压，其余电容下极板接地电压；
其中，电容型SAR ADC比较器两个输入端的电压为：Vp＝Vcm，Vn＝Vcm+K1*(Vdac-Vin)；K1小于1能根据Vcm的偏差范围设定，Vp为比较器正极输入端，Vn为比较器负极输入端，Vcm为共模输入电压,Vin是输入电压,Vdac为VREF/2、VREF/22...VREF/2M-1。
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