CN105827244A - 桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器 - Google Patents

桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器。所述逐次逼近模数转换器包括：第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列，第二位段电容阵列包括电容阵列和冗余电容CX，通过第一桥电容CB1将第一位段电容阵列与第二位段电容阵列相连接；通过第二桥电容CB2将第二位段电容阵列与第三位段电阻阵列相连接；其中，第一桥电容第二桥电容CB2的大小为一个单位电容。本发明实施例提供的逐次逼近模数转换器采用第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列三段式的分段方式，使得逐次逼近模数转换器的版图面积减小，电路功耗降低，同时提高了逐次逼近模数转换器的速度和精度。

Description

桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器
技术领域
本发明涉及微电子技术设计领域，具体而言，本发明涉及桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器。
背景技术
逐次逼近模数转换器的常用的具体电路结构由电压型和电荷型。其中，电压型结构的逐次逼近模数转换器采用电阻和开关网络构成。电压型结构的逐次逼近模数转换器的缺点是，随着分辨率的增加，需要的电阻和开关个数呈指数增加，从而使得该电压型结构的逐次逼近模数转换器的结构更加复杂，并且电阻的匹配度不好。随着对具有小体积，并且要求良好的电阻匹配度的逐次逼近模数转换器的要求越来越高，现有的电压型结构的逐次逼近模数转换器很难满足相应的应用需求。
电荷型结构的逐次逼近模数转换器采用电容和开关网络构成，电荷型结构的逐次逼近模数转换器的缺点是，随着分辨率的增加，二进制权重的电荷型结构的电容总个数以二的指数递增，相应的寄生电容也会增加，影响了电容权重以及限制了逐次逼近模数转换器的转换速度。随着对减少额外电容寄生以提高相应的电容权重值的准确性的要求，以及对逐次逼近模数转换器的转换速度的要求，现有的电荷型结构的逐次逼近模数转换器很难满足相应的应用需求。
发明内容
本发明实施例在于提供桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器，该逐次逼近模数转换器采用第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列三段式的分段方式，使得逐次逼近模数转换器的版图面积减小，电路功耗降低，同时提高了逐次逼近模数转换器的速度和精度。
本发明实施例提供了桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器，所述逐次逼近模数转换器包括：第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列，第二位段电容阵列包括电容阵列和冗余电容CX，通过第一桥电容CB1将第一位段电容阵列与第二位段电容阵列相连接；通过第二桥电容CB2将第二位段电容阵列与第三位段电阻阵列相连接；其中，第一桥电容第二桥电容CB2的大小为一个单位电容。
优选的，N比特的逐次逼近模数转换器由M比特的第一位段电容阵列、I比特的第二位段电容阵列和L比特的第三位段电阻阵列组成，其中，N＝M+I+L+1，N为大于1的正整数，M为大于1的正整数，I为大于1的正整数，L为大于1的正整数。
优选的，第一位段电容阵列中的电容与相应的电容之间的关系为：
CM+I-1＝2CM+I-2＝22CM+I-3＝…＝2M-1CI，其中，C0为电容单位，M为大于1的正整数，I为大于1的正整数。
优选的，第二位段电容阵列中的电容与相应的电容之间的关系为：CI-1＝2CI-2＝22CI-3＝…＝2I-1C0，CI＝C0，其中，C0为单位电容，I为大于1的正整数。
优选的，在第二位段电容阵列的公共节点接入反向二极管。
优选的，反向二极管的负端与第二位段电容阵列的公共节点相连接，反向二极管的正端接地。
本发明实施例提供了桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器，该逐次逼近模数转换器采用第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列三段式的分段方式，使得逐次逼近模数转换器的版图面积减小，电路功耗降低，同时提高了逐次逼近模数转换器的速度和精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的N比特的逐次逼近模数转换器的整体结构框架图；
图2是本发明实施例提供的N比特的电容电阻模数转换器的结构示意图；
图3a是本发明实施例提供的反接二极管的结构示意图，图3b是本发明实施例提供的反接二极管的另一结构示意图；
图4是本发明实施例提供的反接二极管与第二位段电容阵列的等效电路示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，为图1是本发明实施例提供的N比特的逐次逼近模数转换器的整体结构框架图。图1中图示为：101、第一位段电容阵列，102、第二位段电容阵列，103、第三位段电阻阵列。
在本发明实施例提供的N比特的逐次逼近模数转换器包括：第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列，
第二位段电容阵列包括电容阵列和冗余电容CX，通过第一桥电容CB1将第一位段电容阵列与第二位段电容阵列相连接；通过第二桥电容CB2将第二位段电容阵列与第三位段电阻阵列相连接；其中，第一桥电容第二桥电容CB2的大小为一个单位电容。其中，第一位段电容阵列为高位段电容阵列，第二位段电容阵列为中位段电容阵列，第三位段电阻阵列为低位段电阻阵列。
利用冗余电容CX可使桥电容CB1取整数倍的单位电容，大大降低了版图中电容匹配的难度，提高了电容阵列整体的匹配性。
进一步地，版图布局时，利用冗余电容CX包围第一位段电容阵列与第二位段电容阵列之间的第一桥电容CB1，可以消除CB1的额外寄生，从而消除其对电容权重造成的影响。
更进一步地，第一位段电容阵列中的电容与相应的电容之间的关系为：CM+I-1＝2CM+I-2＝22CM+I-3＝…＝2M-1CI，CI＝C0，其中，C0为电容单位,M为大于1的正整数，I为大于1的正整数。
第二位段电容阵列中的电容与相应的电容之间的关系为：CI-1＝2CI-2＝22CI-3＝…＝2I-1C0，其中，C0为单位电容，I为大于1的正整数。
作为本发明的实施例，在第二位段电容阵列的公共节点接入反向二极管。
作为本发明的实施例，反向二极管的负端与第二位段电容阵列的公共节点相连接，反向二极管的正端接地。
具体而言，二极管正端接地，二极管的负端接第二位段电容阵列的电容公共节点，提高了电路的可靠性。其原因在于TOP_ISB为高阻态浮空点，生产过程中会积累电荷而不能将积累的电荷进行有效泄放，这会引起可靠性的问题。
比较器的IP端和IN端电路结构完全对称。如图1所示的实施例中，采用的是底板采样，不会影响模数转换器的增益误差。
采样期间，电容阵列通过数模转换器的控制逻辑接收输入信号VIP和VIN，通过闭合与第二桥电容CB2相连接的开关S0与第三位段电阻阵列中的中间电平VCOM相对应的开关，将第二桥电容CB2与第三位段电阻阵列中的中间电平VCOM相连接以完成对相应的输入信号的采样。
转换期间，比较器将电容电阻数模转换器的输出参考电压与输入电压进行比较，以及比较器通过相应的比较结果以产生相应的逐次逼近逻辑。进一步地，通过获取的逐次逼近逻辑控制数模转换器控制逻辑改变相应的电容电阻数模转换器中各个开关的闭合或断开的状态以产生下一次比较的参考电平。上述过程依次循环，直至完成逐次逼近模数转换器的整个转换过程。
如图2所示，为本发明实施例提供的N比特的电容电阻模数转换器的结构示意图。
如图2所示，N比特的逐次逼近模数转换器由M比特的第一位段电容阵列、I比特的第二位段电容阵列和L比特的第三位段电阻阵列组成，其中，N＝M+I+L+1，N为大于1的正整数，M为大于1的正整数，I为大于1的正整数，L为大于1的正整数。
如图3a所示，为本发明实施例提供的第二位段电容阵列中的电容公共节点TOP_ISB反接二极管的结构示意图，如图3b所示，为本发明实施例提供的第二位段电容阵列中的电容公共节点TOP_ISB反接二极管的另一结构示意图。图3a、图3b中图示为：101、第一位段电容阵列，102、第二位段电容阵列，103、第三位段电阻阵列。
具体的有两种结构形式，如图3a、图3b所示，均是由P型衬底和N阱构成的PN结实现，P型衬底接地，N阱接到第二位段电容阵列。
作为本发明的实施例，通过第二位段电容阵列中的冗余电容CX来进行相应的电荷分配以降低第二位段电容阵列的公共节点的电压变化的幅值范围。
反接的二极管可以提供漏电的低阻抗途径，这将使得相应的电容的公共节点的电位最终逼近为地电位。
如图4所示，为本发明实施例提供的反接二极管与第二位段电容阵列的等效电路示意图。
漏电现象的发生可以通过如图4的反接二极管与第二位段电容阵列的电路等效示意图来说明。反接二极管在电路中可等效为一个阻值为RPN的电阻。反接二极管的一端接地，反接二极管的另一端接第二位段电容阵列的总电容Ctot，ISB。第二位段电容阵列通过与一个DC电平相连接，以用于对RPN进行分压。长时间后由于电容的阻抗趋于无穷大，因此，二极管的N端电压VN≈VP，VP是围绕地电位正负波动的，而二极管的导通电压为0.5～0.7V左右，当VP为负压且超过二极管的导通电压时，二极管瞬间正向导通，造成电荷泄放，导致比较结果失效。解决漏电现象的方法是通过调整冗余电容CX的值，利用电荷分配的关系来降低第二位段电容阵列的公共节点的电压变化的幅值，保证反接二极管在工作过程中始终不会发生正向导通，从而确保了电路转换的正确性。
由于冗余电容CX不参与对输入信号的采样和转换操作，作为本发明的实施例，在逐次逼近模数转换器工作过程中接一个固定电平。冗余电容CX的作用如下所述：首先，通过冗余电容CX可获取整数倍单位电容值以提高相应的电容阵列的匹配度。其次，通过冗余电容CX包围第一桥电容CB1，消除第一桥电容CB1的额外寄生以纠正相应的电容的权重值。再次，冗余电容CX还通过降低第二位段电容阵列的公共节点的电压变化的幅值范围以减少相应的高阻态浮空点的漏电效应的产生。
本发明实施例提供的桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器采用第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列三段式的分段方式，使得逐次逼近模数转换器的版图面积减小，电路功耗降低，同时提高了逐次逼近模数转换器的速度和精度。
更进一步地，通过第二位段电容阵列中的冗余电容CX来进行相应的电荷分配以降低第二位段电容阵列的公共节点的电压变化的幅值范围。
在实际应用中，上述逐次逼近模数转换器还可以用于制造包括上述模数转换器的设备，具体细节参照相应的描述，在此不再赘述。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.桥电容为整数值的电容电阻三段式逐次逼近模数转换器，其特征在于，包括：第一位段电容阵列、第二位段电容阵列和第三位段电阻阵列，
所述第二位段电容阵列包括电容阵列和冗余电容CX，通过第一桥电容CB1将所述第一位段电容阵列与所述第二位段电容阵列相连接；
通过第二桥电容CB2将所述第二位段电容阵列与所述第三位段电阻阵列相连接；其中，所述第一桥电容所述第二桥电容CB2的大小为一个单位电容。
2.根据权利要求1所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，
N比特的逐次逼近模数转换器由M比特的第一位段电容阵列、I比特的第二位段电容阵列和L比特的第三位段电阻阵列组成，其中，N＝M+I+L+1，N为大于1的正整数，M为大于1的正整数，I为大于1的正整数，L为大于1的正整数。
3.根据权利要求2所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，
所述第一位段电容阵列中的电容与相应的电容之间的关系为：
CM+I-1＝2CM+I-2＝22CM+I-3＝…＝2M-1CI，CI＝C0，其中，C0为电容单位,M为大于1的正整数，I为大于1的正整数。
4.根据权利要求2所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，
所述第二位段电容阵列中的电容与相应的电容之间的关系为：
CI-1＝2CI-2＝22CI-3＝…＝2I-1C0，其中，C0为单位电容，I为大于1的正整数。
5.根据权利要求1所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，在所述第二位段电容阵列的公共节点接入反向二极管。
6.根据权利要求5所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述反向二极管的负端与所述第二位段电容阵列的公共节点相连接，所述反向二极管的正端接地。
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