CN105391451B - 一种逐次逼近型模数转换器及其模数转换时开关切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逐次逼近型模数转换器及其模数转换时开关切换方法，逐次逼近型模数转换器包括多参考生成电路、电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近控制逻辑，其中电容阵列数模转换器比逐次逼近型模数转换器输出的二进制编码位数N少3位的N‑3位电容对即可，实现N‑3位电容对完成分辨率为N位的优良效果，能有效减小电容阵列面积，单位电容总数量可以被减少87.5％，从而降低电路复杂性、节省制作成本和满足体积小。采用本发明提供的开关切换方法，在开关切换过程中，其前两次比较时不消耗能量，后面的每一次比较消耗的功耗都比传统结构的小，与传统结构相比，能节省开关切换时引起的平均动态功耗可达99.4％，从而降低整体功耗。

Description

一种逐次逼近型模数转换器及其模数转换时开关切换方法

技术领域

本发明涉及一种模数转换器及模数转换方法，特别是涉及一种逐次逼近型模数转换器及其模数转换时开关切换方法，属于模拟或数模混合集成电路技术领域。

背景技术

逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Register Analog toDigital Converter，SAR ADC)是一种中高精度和中等速度的模数转换器，它的优点是低功耗和面积小，常被应用于雷达、通信、图像传感和手机触摸屏等领域。

SAR ADC通常采用电荷重分配型结构，由于电容型逐次逼近型模数转换器的单位电容总量与ADC精度成指数关系，对于较高精度的SAR ADC，电容总量和芯片面积会急剧增加，开关电容切换时消耗的动态功耗也会随之增加；以至于电容型逐次逼近型模数转换器在高分辨率情况下，需要使用大电容，不仅充放电功耗大，而且制作大电容浪费芯片面积、经济效益不高。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种逐次逼近型模数转换器及其模数转换时开关切换方法，不仅能有效减小电容阵列面积，还能节省开关切换时引起的动态功耗。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种逐次逼近型模数转换器，包括多参考生成电路、电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近控制逻辑，所述电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相连的同相端电容阵列和与比较器的反相输入端相连的反相端电容阵列。

其中，所述多参考生成电路用于输入参考电压Vref而生成共模电压Vcm、四分之一参考电压Vref/4和四分之三参考电压3Vref/4；所述同相端电容阵列和反相端电容阵列分别包括比逐次逼近型模数转换器输出的二进制编码位数N少3位的N-3位电容，每个电容的非公共端通过开关选择连接多参考生成电路的输出端；所述比较器的输出端与逐次逼近控制逻辑的输入端连接，所述逐次逼近控制逻辑的输出端分别与同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关控制端连接。

本发明进一步设置为：所述多参考生成电路包括第一开关和八个等阻值电阻，所述八个等阻值电阻为依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第一电阻通过第一开关接地，所述第八电阻直接接地。

其中，所述第四电阻和第五电阻连接的节点与参考电压Vref相连，所述第六电阻和第七电阻连接的节点生成共模电压Vcm，所述第一电阻和第二电阻连接的节点生成四分之一参考电压Vref/4，所述第三电阻和第四电阻连接的节点生成四分之三参考电压3Vref/4。

本发明进一步设置为：所述同相端电容阵列包括并联连接的同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列和同相端终端电容；所述反相端电容阵列包括并联连接的反相端第一位权重电容子阵列、反相端第i-3位权重电容子阵列和反相端终端电容。

其中，所述同相端第一位权重电容子阵列和反相端第一位权重电容子阵列均包括2^N-4个并联的单位电容，其中N为大于4的自然数；所述同相端第i-3位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列均包括2^N-i个并联的单位电容，其中i为5≤i≤N的自然数；所述同相端终端电容和反相端终端电容均为一个单位电容。

而且，所述同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列和同相端终端电容中每个电容的公共端耦合在一起与比较器的同相端连接并通过正相开关连接输入信号Vip；所述反相端第一位权重电容子阵列、反相端第i-3位权重电容子阵列和反相端终端电容中每个电容的公共端耦合在一起与比较器的反相端连接并通过反相开关连接输入信号Vin；所述同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列、反相端第一位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列中每个电容的非公共端通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm或接地；所述同相端终端电容和反相端终端电容的非公共端通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm、四分之一参考电压Vref/4或四分之三参考电压3Vref/4。

本发明还提供一种逐次逼近型模数转换器的模数转换时开关切换方法，包括以下步骤：

1)采样阶段；

采用N-3位电容对构成的电容阵列数模转换器，通过N次比较实现精度为N位的逐次逼近型模数转换器的模数转换；将同相端电容阵列的正相开关和反相端电容阵列的反相开关闭合，使得同相端电容阵列中每个电容的公共端接输入信号Vip、使得反相端电容阵列中每个电容的公共端接输入信号Vin；

将同相端第一位权重电容子阵列和反相端第一位权重电容子阵列中每个电容的非公共端均通过开关选择接地，将同相端第i-3位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列中每个电容的非公共端、以及同相端终端电容和反相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接共模电压Vcm，模拟输入信号经过电容阵列数模转换器得到保持信号；

2)比较阶段；

2-1)第一次比较：

通过比较器对同相输入端和反相输入端的保持信号直接进行比较，并输出第一次比较结果B(N)；

2-2)第二次比较：

根据第一次比较结果B(N)进行开关切换；

若B(N)＝1，将反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到共模电压Vcm，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和反相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到参考电压Vref；

若B(N)＝0，将同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到共模电压Vcm，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和同相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到参考电压Vref；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第二次比较结果B(N-1)；

2-3)第三次比较：

根据第一次比较结果B(N)和第二次比较结果B(N-1)进行开关切换；

若B(N)B(N-1)＝11，将反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到参考电压Vref；

若B(N)B(N-1)＝10，反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端连接共模电压Vcm保持不变，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和反相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)＝01，同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端连接共模电压Vcm保持不变，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和同相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)＝00，将同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到参考电压Vref；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第三次比较结果B(N-2)；

2-4)依次进行第四次至第i-2次比较，通过第i-2次比较输出第i-2次比较结果B(N-i+3)，接着第i-1次比较，i为5≤i≤N的自然数；

根据第一次比较结果B(N)、第二次比较结果B(N-1)、……和第i-2次比较结果B(N-i+3)进行开关切换；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝11…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝11…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝10…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝10…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝01…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝01…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝00…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝00…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，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-1次比较结果B(i-1)，i为5≤i≤N的自然数；

2-5)依次进行第i次至第N-1次比较，通过N-1次比较输出第N-1次比较结果B(2)，接着第N次比较，N为大于4的自然数；

根据第N-1次比较结果B(2)进行开关切换；

若B(2)＝1，将同相端终端电容的非公共端通过开关相应地由共模电压Vcm切换为四分之一参考电压Vref/4或由参考电压Vref切换为四分之三参考电压3Vref/4；

若B(2)＝0，将反相端终端电容的非公共端通过开关相应地由参考电压Vref切换为四分之三参考电压3Vref/4或由共模电压Vcm切换为四分之一参考电压Vref/4；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，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N次比较结果B(1)。

3)获得N位二进制码，完成模数转换。

本发明的开关切换方法进一步设置为：根据以下公式计算逐次逼近型模数转换器在模数转换时开关切换的动态平均功耗E，

其中，Cu为电容阵列数模转换器的单位电容值，Vref为参考电压，N为大于4的自然数，i为5≤i≤N的自然数。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明提供的逐次逼近型模数转换器通过多参考生成电路、电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近控制逻辑的设置，其中电容阵列数模转换器比逐次逼近型模数转换器输出的二进制编码位数N少3位的N-3位电容对即可，实现N-3位电容对完成分辨率为N位的优良效果，能有效减小电容阵列面积，单位电容总数量可以被减少87.5％，从而降低电路的复杂性，节省制作成本和满足体积更小的要求。

2、本发明提供的逐次逼近型模数转换器的模数转换时开关切换方法，在开关切换过程中，其前两次比较时不消耗能量，后面的每一次比较消耗的功耗都比传统结构的小，与传统结构相比，能节省开关切换时引起的平均动态功耗可达99.4％，从而降低整体功耗。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明实施例分辨率为N位的逐次逼近型模数转换器的电路结构图；

图2为本发明实施例逐次逼近型模数转换器中多参考生成电路的结构图；

图3为本发明实施例中以5位逐次逼近型模数转换器为例的前两次开关切换示意图；

图4为图3中局部A切换情况的第三次和第四次开关切换示意图；

图5为图3中局部B切换情况的第三次和第四次开关切换示意图；

图6为图3中局部C切换情况的第三次和第四次开关切换示意图；

图7为图3中局部D切换情况的第三次和第四次开关切换示意图；

图8为本发明实施例中以10位逐次逼近型模数转换器为例在模数转换过程中开关切换功耗随ADC输出码变化的matlab仿真结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1及图2所示，一种逐次逼近型模数转换器，包括多参考生成电路1、电容阵列数模转换器2、比较器3和逐次逼近控制逻辑4，所述电容阵列数模转换器2包括与比较器3的同相输入端相连的同相端电容阵列和与比较器3的反相输入端相连的反相端电容阵列。

如图2所示，所述多参考生成电路1用于输入参考电压Vref而生成共模电压Vcm、四分之一参考电压Vref/4和四分之三参考电压3Vref/4，包括第一开关SW和八个等阻值电阻；所述八个等阻值电阻为依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一电阻R1通过第一开关SW接地，所述第八电阻R8直接接地；所述第四电阻R4和第五电阻R5连接的节点与参考电压Vref相连，所述第六电阻R6和第七电阻R7连接的节点生成共模电压Vcm，所述第一电阻R1和第二电阻R2连接的节点生成四分之一参考电压Vref/4，所述第三电阻R3和第四电阻R4连接的节点生成四分之三参考电压3Vref/4。在确定LSB之前一小段时间第一开关Sw被导通，3Vref/4和Vref/4此时才被建立生成，这样能减小电阻串的静态功耗。

如图1所示，所述同相端电容阵列和反相端电容阵列分别包括比逐次逼近型模数转换器输出的二进制编码位数N少3位的N-3位电容，即同相端电容阵列和反相端电容阵列均包括N-3位电容对，N为大于4的自然数；其中每个电容的非公共端通过开关K选择连接多参考生成电路1的输出端。所述比较器3的输出端与逐次逼近控制逻辑4的输入端连接，所述逐次逼近控制逻辑4的输出端分别与同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关K控制端连接。

为了叙述简便，将电容阵列数模转换器2位于图1中上部的同相端电容阵列命名为上面电容，位于图1中下部的反相端电容阵列命名为下面电容，以及将同相端电容阵列和反相端电容阵列中每个电容的非公共端命名为下极板，将同相端电容阵列和反相端电容阵列中每个电容的公共端命名为上极板。

如图1所示，上面电容的上极板与比较器的同相端连接并通过正相开关连接输入信号Vip，下面电容的上极板与比较器的反相端连接并通过反相开关连接输入信号Vin；上面电容中除位于最低位外，其下极板均通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm或接地；下面电容中除位于最低位外，其下极板均通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm或接地；而位于最低位的上面电容和下面电容为终端电容，其下极板通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm、四分之一参考电压Vref/4或四分之三参考电压3Vref/4。

如图3至图7所示，本实施例中以5位逐次逼近型模数转换器为例，对于N＝5位模数转换器，经过采样阶段后通过比较器进行依次比较实现模数转换。其中，在采样阶段，最高位电容对的下极板都接地，其余电容对的下极板都接Vcm，每一电容对中上面电容的上极板对输入信号Vip进行采样，每一电容对中下面电容的上极板对输入信号Vin进行采样，使得比较器同相端的电压为Vip，反相端的电压为Vin。

采样结束后，电容的上极板均与输入信号断开，比较器开始进行第一次比较。

如图3所示，当比较器同相端电压Vip大于反相端电压Vin时，比较器输出最高位(MSB)数字代码B5＝1，同时下面电容中最高位电容的下极板由地端切换到Vcm，下面电容中其它电容的下极板由Vcm切换到Vref，上面电容接法均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+Vref/2。

当比较器同相端电压Vip小于反相端电压Vin时，比较器输出最高位(MSB)数字代码B5＝0，同时上面电容中最高位电容的下极板由地端切换到Vcm，上面电容中其它电容的下极板由Vcm切换到Vref，下面电容接法均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip+Vref/2。

从图3可以看出，从采样到第一次比较完成过程中，开关切换消耗的能量为0。MSB确定后，比较器进行第二次的比较。

对于B5＝1的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于Vref/2时，比较器输出次高位(MSB-1)数字代码B4＝1，同时下面电容中最高位电容的下极板由Vcm切换到Vref，下面电容中其它电容的下极板和上面电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+3Vref/4，同相端电压保持Vip不变；如图3中A所示。

对于B5＝1的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于Vref/2时，比较器输出次高位(MSB-1)数字代码B4＝0，同时下面电容中最高位电容的下极板保持接Vcm不变，下面电容中其它电容的下极板由Vref切换到Vcm，上面电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+Vref/4，同相端电压保持Vip不变；如图3中B所示。

对于B5＝0的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于-Vref/2时，比较器输出次高位(MSB-1)数字代码B4＝1，同时上面电容中最高位电容的下极板保持接Vcm不变，上面电容中其它电容的下极板由Vref切换到Vcm，下面电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip+Vref/4，反相端电压保持Vin不变；如图3中C所示。

对于B5＝0的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于-Vref/2时，比较器输出次高位(MSB-1)数字代码B4＝0，同时上面电容中最高位电容的下极板由Vcm切换到Vref，上面电容中其它电容的下极板和下面电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip+3Vref/4，反相端电压保持Vin不变；如图3中D所示。

从图3可以看出，从第一次比较完成到第二次比较结束过程中，开关切换消耗的能量为0。次高位(MSB-1)确定后，比较器进行第三次的比较。

如图4所示，对于B5B4＝11的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于3Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝1，同时上面电容中次高位电容的下极板由Vcm切换到地，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip-Vref/8，反相端电压保持Vin+3Vref/4不变，第三次比较电容阵列消耗能量为CVref²/16。

如图4所示，对于B5B4＝11的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于3Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝0，同时下面电容中次高位电容的下极板由Vref切换到Vcm，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+5Vref/8，比较器同相端电压保持Vip不变，第三次比较电容阵列消耗能量为3CVref²/16。

如图5所示，对于B5B4＝10的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝1，同时上面电容中次高位电容的下极板由Vcm切换到地，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip-Vref/8，比较器反相端电压保持Vin+Vref/4不变，第三次比较电容阵列消耗能量为CVref²/16。

如图5所示，对于B5B4＝10的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝0，同时下面电容中次高位电容的下极板由Vcm切换到地，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+Vref/8，比较器同相端电压保持Vip不变，第三次比较电容阵列消耗能量为3CVref²/16。

如图6所示，对于B5B4＝01的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于-Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝1，同时上面电容中次高位电容的下极板由Vcm切换到地，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip+Vref/8，比较器反相端电压保持Vin不变，第三次比较电容阵列消耗能量为3CVref²/16。

如图6所示，对于B5B4＝01的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于-Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝0，同时下面电容中次高位电容的下极板由Vcm切换到地，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin-Vref/8，比较器同相端电压保持Vip+Vref/4不变，第三次比较电容阵列消耗能量为CVref²/16。

如图7所示，对于B5B4＝00的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于-3Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝1，同时上面电容中次高位电容的下极板由Vref切换到Vcm，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip+5Vref/8，比较器反相端电压保持Vin不变，第三次比较电容阵列消耗能量为3CVref²/16。

如图7所示，对于B5B4＝00的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于-3Vref/4时，比较器输出(MSB-2)数字代码B3＝0，同时下面电容中次高位电容的下极板由Vcm切换到地，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin-Vref/8，比较器同相端电压保持Vip+3Vref/4不变，第三次比较电容阵列消耗能量为CVref²/16。

如图1至图7所示，对于精度为N(N大于5)位的SAR ADC，(MSB-3)到(MSB-N+2)位的比较切换过程与第三次(MSB-2)的比较切换过程类似。第三位(MSB-2)确定后，比较器进行第四次的比较。

为了完成二进制搜索算法，第四次的比较即倒数第二次的比较，此时需要引入多参考生成的参考电压3Vref/4和Vref/4，同时切换的电容是最后一对电容，本实施例中即是终端电容。在传统结构中，终端电容的下极板电压是固定不变的，它不被用来确定ADC的输出位，但本发明中赋予终端电容位起决定作用。

如图4所示，对于B5B4B3＝111的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于7Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝1，同时上面电容中终端电容的下极板由Vcm切换到Vref/4，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip-3Vref/16，比较器反相端电压保持Vin+3Vref/4不变，第四次比较电容阵列消耗能量为-3CVref²/64。

如图4所示，对于B5B4B3＝111的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于7Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝0，同时下面电容中终端电容的下极板由Vref切换到3Vref/4，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+Vref/16，比较器同相端电压保持Vip-Vref/8不变，第四次比较电容阵列消耗能量为3CVref²/64。

如图4所示，对于B5B4B3＝110的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于5Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝1，同时上面电容中终端电容的下极板由Vcm切换到Vref/4，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip-Vref/16，比较器反相端电压保持Vin+5Vref/8不变，第四次比较电容阵列消耗能量为-CVref²/64。

如图4所示，对于B5B4B3＝110的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于5Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝0，同时下面电容中终端电容的下极板由Vref切换到3Vref/4，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+9Vref/16，比较器同相端电压保持Vip不变，第四次比较电容阵列消耗能量为CVref²/64。

如图5所示，对于B5B4B3＝101的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于3Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝1，同时上面电容中终端电容的下极板由Vcm切换到Vref/4，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip-3Vref/16，比较器反相端电压保持Vin+Vref/4不变，第四次比较电容阵列消耗能量为-3CVref²/64。

如图5所示，对于B5B4B3＝101的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于3Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝0，同时下面电容中终端电容的下极板由Vcm切换到Vref/4，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+3Vref/16，比较器同相端电压保持Vip-Vref/8不变，第四次比较电容阵列消耗能量为3CVref²/64。

如图5所示，对于B5B4B3＝100的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)大于Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝1，同时上面电容中终端电容的下极板由Vcm切换到Vref/4，上面电容中其它电容的下极板和下面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器同相端电压变为Vip-Vref/16，比较器反相端电压保持Vin+Vref/8不变，第四次比较电容阵列消耗能量为-CVref²/64。

如图5所示，对于B5B4B3＝100的情况，当比较器同相端与反相端电压差(Vip-Vin)小于Vref/8时，比较器输出(MSB-3)数字代码B4＝0，同时下面电容中终端电容的下极板由Vcm切换到Vref/4，下面电容中其它电容的下极板和上面电容中电容的下极板均保持不变，此时比较器反相端电压变为Vin+Vref/16，比较器同相端电压保持Vip不变，第四次比较电容阵列消耗能量为CVref²/64。

如图6和图7所示，对于B5B4B3＝011、B5B4B3＝010、B5B4B3＝001和B5B4B3＝000的情况分别与所述B5B4B3＝100、B5B4B3＝101、B5B4B3＝110和B5B4B3＝111的情况对称。

第四位(MSB-3)确定后，比较器进行第五次的比较。

参照图4至图7所示，第五次比较，比较器直接比较同相端和反相端电压的大小，当比较器同相端电压大于反相端电压时，比较器输出最低位(LSB)数字代码B1＝1，当比较器同相端电压小于反相端电压时，比较器输出最低位(LSB)数字代码B1＝0，没有开关进行切换，电容阵列不消耗能量。

对于N位逐次逼近型模数转换器，采用上述开关切换方法，其转换过程中开关切换的动态平均功耗E通过以下公式计算；

其中，Cu为电容阵列数模转换器的单位电容值，Vref为参考电压，N为大于4的自然数，i为5≤i≤N的自然数。

如图8所示，以10位的逐次逼近型模数转换器为例，其在转换过程中开关切换功耗随ADC输出代码变化的matlab仿真结果图。从图8可以看出，采用本发明的开关切换方法后，与传统结构相比，SAR ADC所需要的单位电容数量可以减少75％，开关切换引起的动态功耗能被节省99.4％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种逐次逼近型模数转换器，其特征在于：包括多参考生成电路、电容阵列数模转换器、比较器和逐次逼近控制逻辑，所述电容阵列数模转换器包括与比较器的同相输入端相连的同相端电容阵列和与比较器的反相输入端相连的反相端电容阵列；

所述多参考生成电路用于输入参考电压Vref而生成共模电压Vcm、四分之一参考电压Vref/4和四分之三参考电压3Vref/4；

所述同相端电容阵列和反相端电容阵列分别包括比逐次逼近型模数转换器输出的二进制编码位数N少3位的N-3位电容，每个电容的非公共端通过开关选择连接多参考生成电路的输出端；

所述比较器的输出端与逐次逼近控制逻辑的输入端连接，所述逐次逼近控制逻辑的输出端分别与同相端电容阵列和反相端电容阵列的开关控制端连接；

所述同相端电容阵列包括并联连接的同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列和同相端终端电容；所述反相端电容阵列包括并联连接的反相端第一位权重电容子阵列、反相端第i-3位权重电容子阵列和反相端终端电容；

所述同相端第一位权重电容子阵列和反相端第一位权重电容子阵列均包括2^N-4个并联的单位电容，其中N为大于4的自然数；所述同相端第i-3位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列均包括2^N-i个并联的单位电容，其中i为5≤i≤N的自然数；所述同相端终端电容和反相端终端电容均为一个单位电容；

所述同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列和同相端终端电容中每个电容的公共端耦合在一起与比较器的同相端连接并通过正相开关连接输入信号Vip；所述反相端第一位权重电容子阵列、反相端第i-3位权重电容子阵列和反相端终端电容中每个电容的公共端耦合在一起与比较器的反相端连接并通过反相开关连接输入信号Vin；

所述同相端第一位权重电容子阵列、同相端第i-3位权重电容子阵列、反相端第一位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列中每个电容的非公共端通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm或接地；

所述同相端终端电容和反相端终端电容的非公共端通过开关选择连接参考电压Vref、共模电压Vcm、四分之一参考电压Vref/4或四分之三参考电压3Vref/4。

2.根据权利要求1所述的一种逐次逼近型模数转换器，其特征在于：所述多参考生成电路包括第一开关和八个等阻值电阻，所述八个等阻值电阻为依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第一电阻通过第一开关接地，所述第八电阻直接接地；

所述第四电阻和第五电阻连接的节点与参考电压Vref相连，所述第六电阻和第七电阻连接的节点生成共模电压Vcm，所述第一电阻和第二电阻连接的节点生成四分之一参考电压Vref/4，所述第三电阻和第四电阻连接的节点生成四分之三参考电压3Vref/4。

3.根据权利要求1所述的一种逐次逼近型模数转换器的模数转换时开关切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采样阶段；

采用N-3位电容对构成的电容阵列数模转换器，通过N次比较实现精度为N位的逐次逼近型模数转换器的模数转换；将同相端电容阵列的正相开关和反相端电容阵列的反相开关闭合，使得同相端电容阵列中每个电容的公共端接输入信号Vip、使得反相端电容阵列中每个电容的公共端接输入信号Vin；

将同相端第一位权重电容子阵列和反相端第一位权重电容子阵列中每个电容的非公共端均通过开关选择接地，将同相端第i-3位权重电容子阵列和反相端第i-3位权重电容子阵列中每个电容的非公共端、以及同相端终端电容和反相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接共模电压Vcm，模拟输入信号经过电容阵列数模转换器得到保持信号；

2)比较阶段；

2-1)第一次比较：

通过比较器对同相输入端和反相输入端的保持信号直接进行比较，并输出第一次比较结果B(N)；

2-2)第二次比较：

根据第一次比较结果B(N)进行开关切换；

若B(N)＝1，将反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到共模电压Vcm，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和反相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到参考电压Vref；

若B(N)＝0，将同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到共模电压Vcm，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和同相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到参考电压Vref；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第二次比较结果B(N-1)；

2-3)第三次比较：

根据第一次比较结果B(N)和第二次比较结果B(N-1)进行开关切换；

若B(N)B(N-1)＝11，将反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到参考电压Vref；

若B(N)B(N-1)＝10，反相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端连接共模电压Vcm保持不变，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和反相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)＝01，同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端连接共模电压Vcm保持不变，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端和同相端终端电容的非公共端均通过开关选择连接到共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)＝00，将同相端第一位权重电容子阵列中电容的非公共端通过开关选择连接到参考电压Vref；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，比较器对同相输入端和反相输入端的信号大小进行比较，输出第三次比较结果B(N-2)；

2-4)依次进行第四次至第i-2次比较，通过第i-2次比较输出第i-2次比较结果B(N-i+3)，接着第i-1次比较，i为5≤i≤N的自然数；

根据第一次比较结果B(N)、第二次比较结果B(N-1)、……和第i-2次比较结果B(N-i+3)进行开关切换；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝11…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝11…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝10…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝10…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝01…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝01…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝00…1，将同相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接共模电压Vcm；

若B(N)B(N-1)…B(N-i+3)＝00…0，将反相端第i-3位权重电容子阵列中电容的非公共端均通过开关选择接地；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，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-1次比较结果B(i-1)，i为5≤i≤N的自然数；

2-5)依次进行第i次至第N-1次比较，通过N-1次比较输出第N-1次比较结果B(2)，接着第N次比较，N为大于4的自然数；

根据第N-1次比较结果B(2)进行开关切换；

若B(2)＝1，将同相端终端电容的非公共端通过开关相应地由共模电压Vcm切换为四分之一参考电压Vref/4或由参考电压Vref切换为四分之三参考电压3Vref/4；

若B(2)＝0，将反相端终端电容的非公共端通过开关相应地由参考电压Vref切换为四分之三参考电压3Vref/4或由共模电压Vcm切换为四分之一参考电压Vref/4；

电容阵列数模转换器开始进行电荷重分配，当电荷重分配完成后，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N次比较结果B(1)；

3)获得N位二进制码，完成模数转换。

4.根据权利要求3所述的一种逐次逼近型模数转换器的模数转换时开关切换方法，其特征在于：根据以下公式计算逐次逼近型模数转换器在模数转换时开关切换的动态平均功耗E，

其中，Cu为电容阵列数模转换器的单位电容值，Vref为参考电压，N为大于4的自然数，j为1≤j≤N-3的自然数。