CN104734721B - 低功耗Radix-4电荷重分配型DAC和切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗Radix‑4电荷重分配型DAC和切换方法，包括电容阵列、参考电压源、以及由数字信号控制以使参考电压源与电容接通或断开的切换开关，所述电容阵列中各电容大小权重的表达电路为四进制电路，所述参考电压源为三个；切换方法包括共模电平向下切换式和逐次逼近法；本发明低功耗Radix‑4电荷重分配型DAC及切换方法，输入数字信号控制切换开关，使参考电压源与电容接通或断开，从而使各电容上极板上电荷重新分配，并在输出端输出模拟信号，由于电容阵列中各电容大小权重为四进制，且参考电压源为三个，使得能通过更少的切换次数实现数模转换，从而降低了DAC切换功耗，同时所需电容更少，进而减小了DAC电路面积。

Description

低功耗Radix-4电荷重分配型DAC和切换方法

技术领域

本发明涉及一种DAC及切换方法，特别涉及一种电荷重分配型DAC及切换方法。

背景技术

目前，很多电子设备如无线传感器节点及生物植入电子设备等都需要低功耗数据转换器，SAR ADC以其简单的电路结构和低功耗的特性受到广泛关注和研究。其中DAC是SARADC的重要组成部分，而DAC的切换功耗也占据了SAR ADC总功耗的较大比重。因此研究并设计低功耗DAC是SAR ADC领域的一项重要课题。

用于SAR ADC的DAC可以有很多实现方式，如电流型DAC、R-2R型DAC、电荷重分配型DAC。其中电荷重分配型DAC具有零静态功耗，因此目前大部分SAR ADC都采用电荷重分配型DAC。传统电荷重分配型DAC将电容阵列权重设置为二进制，通过切换开关状态使电容输出端电荷重分配，不断产生二分电位，从而实现SAR ADC的逐次逼近算法。

基于传统电荷重分配型DAC，衍生出了很多新型低功耗DAC，如拆分电容阵列DAC、带衰减电容阵列DAC、引入V_cm的新型DAC等。除了在电路结构上进行改善从而降低功耗外，也有很多研究通过改变双端DAC的切换方法来降低功耗，如共模电平向下切换式、共模电平收敛切换式等。然而现有的电荷重分配型DAC仍具有较高的切换功耗，电路面积也居高难下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种低功耗Radix-4电荷重分配型DAC和切换方法，以解决现有电荷重分型DAC的切换功耗高和电路面积大的问题。

本发明低功耗Radix-4电荷重分配型DAC，包括电容阵列、参考电压源、以及由数字信号控制以使参考电压源与电容接通或断开的切换开关，所述电容阵列中各电容大小权重的表达电路为四进制电路，所述参考电压源为三个；

所述DAC为具有两个相同电容阵列及一次采样信息量为N比特的双端DAC，当N为奇数，则每个电容阵列由个有效电容和一个冗余电容C₀组成，当N为偶数，则每个电容阵列由个有效电容和一个冗余电容C₀组成，有效电容分别为C₁、C₂、C₃……C_n；其中当1≤i≤n-1且i为整数时，当i＝0时，其中C_i、C_i+1、C_j分别为第i个、第i+1个和第j个电容的电容量；

或：

所述DAC为具有一个电容阵列及一次采样信息量为N比特的单端DAC，当N为奇数，则电容阵列由个有效电容和冗余电容C₀组成，当N为偶数，则电容阵列由个有效电容和一个冗余电容组成，有效电容分别为C₁、C₂、C₃……C_n；其中当1≤i≤n-1且i为整数时，当i＝0时，其中C_i、C_i+1、C_j分别为第i个、第i+1个和第j个电容的电容量。

进一步，所述切换开关为四选一切换开关，所述参考电压源包括电压值为V_ref、以及的参考电压源，所述电容阵列中的每个电容的下级板相连，且电容阵列中的冗余电容的上极板接GND，电容阵列中的其他电容的上极板分别与一个四选一切换开关相连，切换开关另一端选择连接电压值为V_ref、或的参考电压源或GND。

本发明低功耗Radix-4电荷重分配型DAC的切换方法，所述双端DAC的切换方法为共模电平向下切换式：

电容阵列初始状态为冗余电容C₀接GND，其他电容接切换步骤为：

第一步将采样开关断开，从第二步起若i为偶数，如果第i步是向上切换，则将连接采样正极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到如果第i步是向下切换，则将连接采样负极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到若i为奇数，如果第i步是向上切换，则将连接采样正极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到GND或从切换到V_ref；如果第i步是向下切换，则将连接采样负极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到GND或从切换到V_ref；

所述单端DAC的切换方法为逐次逼近法：

电容阵列初始状态为电容C₁接V_ref，其他电容接GND，切换步骤为：

从第一步起，若i为奇数，如果第i步是向上切换，则将电容阵列中电容的切换开关从V_ref切换到如果第i步是向下切换，则将电容阵列中电容的切换开关从V_ref切换到若i为偶数，如果第i步是向上切换，则将电容阵列中电容的切换开关从GND切换到V_ref；如果第i步是向下切换，则将电容阵列中电容的切换开关从切换到V_ref或从切换到GND，同时将电容的切换开关从GND切换到V_ref。

本发明的有益效果：本发明低功耗Radix-4电荷重分配型DAC及切换方法，输入数字信号控制切换开关，使参考电压源与电容接通或断开，从而使各电容上极板上电荷重新分配，并在输出端输出模拟信号，由于电容阵列中各电容大小权重的表达电路为四进制电路，且参考电压源为三个，使得能通过更少的切换次数实现数模转换，从而降低了DAC切换功耗，同时所需电容更少，进而减小了DAC电路面积。

附图说明

图1为本发明中单端电荷重分配型DAC的电路原理图；

图2为本发明中双端电荷重分配型DAC的电路原理图；

图3为3比特双端电荷重分配型DAC的切换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如图2所示，本实施例低功耗Radix-4电荷重分配型DAC，包括电容阵列、参考电压源、以及由数字信号控制以使参考电压源与电容接通或断开的切换开关，所述电容阵列中各电容大小权重的表达电路为四进制电路，所述参考电压源为三个。

所述DAC为具有两个相同电容阵列及一次采样信息量为N比特的双端DAC，当N为奇数，则每个电容阵列由个有效电容和一个冗余电容C₀组成，当N为偶数，则每个电容阵列由个有效电容和一个冗余电容C₀组成，有效电容分别为C₁、C₂、C₃……C_n；其中当1≤i≤n-1且i为整数时，当i＝0时，其中C_i、C_i+1、C_j分别为第i个、第i+1个和第j个电容的电容量。

所述切换开关为四选一切换开关，所述参考电压源包括电压值为V_ref、以及的参考电压源，所述电容阵列中的每个电容的下级板相连，且电容阵列中的冗余电容的上极板接GND，电容阵列中的其他电容的上极板分别与一个四选一切换开关相连，切换开关另一端选择连接电压值为V_ref、或的参考电压源或GND。

实施例二：如图1所示，本实施例低功耗Radix-4电荷重分配型DAC，包括电容阵列、参考电压源、以及由数字信号控制以使参考电压源与电容接通或断开的切换开关，所述电容阵列中各电容大小权重为四进制，所述参考电压源为三个。

所述DAC为具有一个电容阵列及一次采样信息量为N比特的单端DAC，当N为奇数，则电容阵列由个有效电容和冗余电容C₀组成，当N为偶数，则电容阵列由个有效电容和一个冗余电容组成，有效电容分别为C₁、C₂、C₃……C_n；其中当1≤i≤n-1且i为整数时，当i＝0时，其中C_i、C_i+1、C_j分别为第i个、第i+1个和第j个电容的电容量。

所述切换开关为四选一切换开关，所述参考电压源包括电压值为V_ref、以及的参考电压源，所述电容阵列中的每个电容的下级板相连，且电容阵列中的冗余电容的上极板接GND，电容阵列中的其他电容的上极板分别与一个四选一切换开关相连，切换开关另一端选择连接电压值为V_ref、或的参考电压源或GND。

实施例三：低功耗Radix-4电荷重分配型DAC的切换方法，所述双端DAC的切换方法为共模电平向下切换式：

电容阵列初始状态为冗余电容C₀接GND，其他电容接切换步骤为：

第一步将采样开关断开，从第二步起若i为偶数，如果第i步是向上切换，则将连接采样正极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到如果第i步是向下切换，则将连接采样负极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到若i为奇数，如果第i步是向上切换，则将连接采样正极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到GND或从切换到V_ref；如果第i步是向下切换，则将连接采样负极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到GND或从切换到V_ref。

以一次采样量为3比特的双端DAC为例，每个电容阵列有n＝2个有效电容C₁和一个冗余电容C₀，电容值分别为C₁＝1，C₀＝1；每个电容阵列中电容C₀和电容C₁下级板相连，电容C₀上极板接GND，电容C₁上极板接切换开关，切换开关另一端选择电压值为V_ref、的参考电压源或GND。

该DAC的初始状态为两电容阵列中电容C₁接电容C₀接GND，切换示意图如图3所示，切换流程如下：

第一步，将采样开关断开。

第二步，若向上切换则将连接采样正极端的电容阵列中的电容C₁从切换至若向下切换则将连接采样负极端的电容阵列中的电容C₁从切换至

第三步，若向上切换则将连接采样正极端的电容阵列中的电容C₁从切换至GND或从切换至V_ref，若向下切换则将连接采样负极端的电容阵列中的电容C₁从切换至GND或从切换至V_ref。

实施例四：低功耗Radix-4电荷重分配型DAC的切换方法，所述单端DAC的切换方法为逐次逼近法：

电容阵列初始状态为电容C₁接V_ref，其他电容接GND，切换步骤为：

从第一步起，若i为奇数，如果第i步是向上切换，则将电容阵列中电容的切换开关从V_ref切换到如果第i步是向下切换，则将电容阵列中电容的切换开关从V_ref切换到若i为偶数，如果第i步是向上切换，则将电容阵列中电容的切换开关从GND切换到V_ref；如果第i步是向下切换，则将电容阵列中电容的切换开关从切换到V_ref或从切换到GND，同时将电容的切换开关从GND切换到V_ref。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种低功耗Radix-4电荷重分配型DAC，包括电容阵列、参考电压源、以及由数字信号控制以使参考电压源与电容接通或断开的切换开关，其特征在于：所述电容阵列中各电容大小权重的表达电路为四进制电路，所述参考电压源为三个；

所述DAC为具有两个相同电容阵列及一次采样信息量为N比特的双端DAC，当N为奇数，则每个电容阵列由个有效电容和一个冗余电容C₀组成，当N为偶数，则每个电容阵列由个有效电容和一个冗余电容C₀组成，有效电容分别为C₁、C₂、C₃……C_n；其中当1≤i≤n-1且i为整数时，当i＝0时，其中C_i、C_i+1、C_j分别为第i个、第i+1个和第j个电容的电容量；

或：

所述DAC为具有一个电容阵列及一次采样信息量为N比特的单端DAC，当N为奇数，则电容阵列由个有效电容和冗余电容C₀组成，当N为偶数，则电容阵列由个有效电容和一个冗余电容组成，有效电容分别为C₁、C₂、C₃……C_n；其中当1≤i≤n-1且i为整数时，当i＝0时，其中C_i、C_i+1、C_j分别为第i个、第i+1个和第j个电容的电容量。

2.根据权利要求1所述的低功耗Radix-4电荷重分配型DAC，其特征在于：所述切换开关为四选一切换开关，所述参考电压源包括电压值为V_ref、以及的参考电压源，所述电容阵列中的每个电容的下级板相连，且电容阵列中的冗余电容的上极板接GND，电容阵列中的其他电容的上极板分别与一个四选一切换开关相连，切换开关另一端选择连接电压值为V_ref、或的参考电压源或GND。

3.一种根据权利要求2所述低功耗Radix-4电荷重分配型DAC的切换方法，其特征在于：

所述双端DAC的切换方法为共模电平向下切换式：

电容阵列初始状态为C₀接GND，其他电容接切换步骤为：

第一步将采样开关断开，从第二步起若i为偶数，如果第i步是向上切换，则将连接采样正极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到如果第i步是向下切换，则将连接采样负极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到若i为奇数，如果第i步是向上切换，则将连接采样正极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到GND或从切换到V_ref；如果第i步是向下切换，则将连接采样负极端的电容阵列中电容的切换开关从切换到GND或从切换到V_ref；

所述单端DAC的切换方法为逐次逼近法：

电容阵列初始状态为电容C₁接V_ref，其他电容接GND，切换步骤为：

从第一步起，若i为奇数，如果第i步是向上切换，则将电容阵列中电容的切换开关从V_ref切换到如果第i步是向下切换，则将电容阵列中电容的切换开关从V_ref切换到；若i为偶数，如果第i步是向上切换，则将电容阵列中电容的切换开关从GND切换到V_ref；如果第i步是向下切换，则将电容阵列中电容的切换开关从切换到V_ref或从切换到GND，同时将电容的切换开关从GND切换到V_ref。