CN105915218A - 用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟集成电路设计领域，为提供一种基于电荷泄放和三级参考电压的用于逐次逼近型模数转换器的开关策略，大幅度的降低SAR ADC中DAC模块由于开关切换带来的电容充放电的动态功耗，也大幅度降低整体SAR ADC功耗。本发明采用的技术方案是，用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块，分别通过开关S1和S2连接DAC正端所有电容和负端所有电容的上极板，DAC正端电容的上极板还连接到比较器的正输入端，同时连接到开关S3上；比较器的输出连接到逻辑模块的输入，逻辑模块的输出控制DAC开关的闭合和断开。本发明主要应用于模拟集成电路设计制造场合。

Description

用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，特别涉及采用电荷泄放的用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块。

背景技术

逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter，SAR ADC)有着高速，低功耗的特点，广泛应用于便携式电子产品以及植入式电子产品中。随着这些电子产品的发展，对待机时间提出了更高的要求，所以需要降低用于其中的SARADC的功耗。传统SAR ADC结构示意图如图1，由数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)，比较器和逻辑模块组成。DAC一般采用电荷再分配的纯电容结构，避免了静态功耗，但是电荷分配过程中的开关切换带来了电容充放电的动态功耗。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于电荷泄放和三级参考电压的用于逐次逼近型模数转换器的开关策略，大幅度的降低SAR ADC中DAC模块由于开关切换带来的电容充放电的动态功耗，也大幅度降低整体SAR ADC功耗。本发明采用的技术方案是，用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块，用(-Vref,+Vref)表示SAR ADC的量程，Vcm表示参考电压，等于1/8Vref，S1～S10为开关，Ci为DAC中的电容，i＝1,..,N-3，DAC一共需要2的N-4次方个单位电容，Vp表示DAC正端的输出，Vn表示DAC负端的输出，Vin和Vip表示ADC的输入，分别通过开关S1和S2连接到DAC正端所有电容和负端所有电容的上极板，DAC正端电容的上极板还连接到比较器的正输入端，同时连接到开关S3上，开关S3另外一端连接到大小为I/2的电流源，也连接到开关S5上，开关S5的另外一端连接到大小为I的电流源，DAC正端所有电容的下极板连接到选择开关S7,S9上，S7，S9的另外一端连接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一个；DAC负端电容的上极板还连接到比较器的负输入端，同时连接到开关S4，开关S4的另外一端连接到大小为I/2的电流源，也连接到开关S6上，开关S6的另外一端连接到大小为I的电流源，电容的下极板选择开关S8,S10，开关S8和S10的另外一端连接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一个，比较器的输出连接到逻辑模块的输入，逻辑模块的输出控制DAC开关的闭合和断开。

工作过程如下：

首先开关S1与S2闭合，电容上极板采样Vin和Vip，比较器根据Vin和Vip的大小产生比较的结果，由比较器的结果得到第一位；然后，开关S1和S2断开，DAC中电容的上极板不再与Vin或Vip相连接，根据是Vp大于Vn还是Vn大于Vp，选择将DAC正端或是负端电容上极板连接到大小为I的电流源，通过电流源对上极板的电荷进行泄放，降低1/2Vref的电压值，不会产生动态功耗，进行第二次的比较，根据比较器第二次的结果得到第二位；然后，电流泄放之后，再次根据Vp大于Vn还是Vn大于Vp，选择将DAC正端或是负端电容上极板连接到大小为I/2的电流源，再次泄放电荷，降低1/4Vref的电压值，也不会产生动态功耗，进行第三次的比较，根据比较器第三次的比较结果得到第三位；然后进行第四位的比较，根据第三位的结果，即根据Vp大于Vn还是Vn大于Vp，将负端或是正端电容的下极板从连接GND切换到连接Vcm，此时依然不会产生动态功耗，进行第四次的比较，根据比较器的结果得到第四位；然后进行第五位的比较，这里需要根据第四位的结果来控制DAC中开关的闭合和断开，在第四位的比较中，如果DAC中下极板连接到Vcm一端的输出电压较大，则将DAC的另外一端中表示第五位权重的电容的下极板连接到Vcm；在第四位的比较中，如果DAC下极板连接到Vcm一端的输出电压较小，将DAC的该端中表示第五位权重的电容的下极板连接到2Vcm，然后比较器进行比较，根据比较器的结果得到第五位；在进行后面位数的比较时，开关切换的方法都同第五位的。

本发明的特点及有益效果是：

本发明降低了SAR ADC中DAC由于开关切换带来的电容充放电动态功耗。

同时本发明通过也减少了SAR ADC中采用的电容数目，降低了SAR ADC的面积。

附图说明：

图1基SAR ADC结构示意图；

图2采用本开关策略的SAR ADC的结构示意图；

图3一个4位SAR ADC的工作过程示意图。

具体实施方式

为了降低DAC模块由于开关切换带来的电容充放电的动态功耗，本发明提出一种基于电荷泄放和三级参考电压的用于逐次逼近型模数转换器的开关策略。通过采用电荷泄放的方式使得前三位的比较不会产生动态功耗，同时采用三级参考电压的方式使得第四位的比较也不会产生动态功耗。

采用该开关策略的N(N为正整数)位SAR ADC结构如图2。用(-Vref,+Vref)表示SARADC的量程。图中GND表示电源地，Vcm表示参考电压，等于1/8Vref，S1～S10为开关，Ci(i＝1,..,N-3)为DAC中的电容，DAC采用传统二进制结构，一共需要2^N-4个单位电容。Vp表示DAC正端的输出，Vn表示DAC负端的输出。Vin和Vip表示ADC的输入，分别通过开关S1和S2连接DAC正端所有电容和负端所有电容的上极板。DAC正端电容的上极板还连接到比较器的正输入端，同时连接到开关S3上，S3另外一端连接到大小为I/2的电流源，也连接到开关S5上，S5的另外一端连接到大小为I的电流源。电容的下极板连接到选择开关S7,S9上，S7，S9的另外一端连接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一个。DAC负端电容的上极板还连接到比较器的负输入端，同时连接到开关S4，开关S4的另外一端连接到大小为I/2的电流源，也连接到开关S6上，开关S6的另外一端连接到大小为I的电流源。电容的下极板选择开关S8,S10，开关S8和S10的另外一端连接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一个。比较器的输出连接到逻辑模块的输入，逻辑模块的输出控制DAC开关的闭合和断开。

该开关策略通过电荷泄放和三级参考电压相结合，实现了在SAR ADC的前四位的比较中，DAC不会产生电容充放电的动态功耗。采用该开关策略的SAR ADC工作过程不用于传统的SARADC，对N位的SAR ADC，初始状态，DAC中电容下极板连接到电源地(GND)。工作过程如下：

首先开关S1与S2闭合，电容上极板采样Vin和Vip，比较器根据Vin和Vip的大小产生比较的结果，由比较器的结果得到第一位；然后，开关S1和S2断开，DAC中电容的上极板不再与Vin或Vip相连接，根据是Vp大于Vn还是Vn大于Vp，选择将DAC正端或是负端电容上极板连接到大小为I的电流源，通过电流源对上极板的电荷进行泄放，降低1/2Vref的电压值，不会产生动态功耗，进行第二次的比较，根据比较器第二次的结果得到第二位；然后，电荷泄放之后，再次根据Vp大于Vn还是Vn大于Vp，选择将DAC正端或是负端电容上极板连接到大小为I/2的电流源，再次泄放电荷，降低1/4Vref的电压值，也不会产生动态功耗，进行第三次的比较，根据比较器第三次的比较结果得到第三位；然后进行第四位的比较，根据第三位的结果，即根据Vp大于Vn还是Vn大于Vp，将负端或是正端电容的下极板从连接GND切换到连接Vcm，此时依然不会产生动态功耗，进行第四次的比较，根据比较器的结果得到第四位；然后进行第五位的比较，这里需要根据第四位的结果来控制DAC中开关的闭合和断开，在第四位的比较中，如果DAC中下极板连接到Vcm一端的输出电压较大，则将DAC的另外一端中表示第五位权重的电容的下极板连接到Vcm；在第四位的比较中，如果DAC下极板连接到Vcm一端的输出电压较小，将DAC的该端中表示第五位权重的电容的下极板连接到2Vcm，然后比较器进行比较，根据比较器的结果得到第五位；在进行后面位数的比较时，开关切换的方法都同第五位的。

以一个4位差分结构SAR ADC为例，其工作过程如图3所示，Vin和Vip表示ADC的输入，差分输入范围为-1V～+1V。Vref为1V。Vcm表示参考电压，为1/8V。C表示DAC中单位电容，大小为100fF，4位的SAR ADC中DAC只需要一个电容。I表示电流源的电流大小，为1nA。E表示开关切换引入的DAC动态功耗。整个工作过程描述如下：首先电容上极板采样Vin和Vip，电容下极板连接到电源地(GND)，比较器根据Vin和Vip的大小产生比较的结果，由比较器的结果得到第一位；然后，如图a1和a2，正负端的电容的上极板不再与Vin和Vip相连接，将正负端中某一端电容上极板连接到大小为I(1nA)的电流源，通过电流源进行电荷泄放，降低1/2V的电压值，进行第二次的比较，根据比较器第二次的结果得到第二位；然后，如图b1～b4，将DAC的正负端中某一端电容的上极板连接到大小为I/2(0.5nA)的电流源，再次泄放电荷，降低1/4V的电压值，进行第三位的比较，根据比较器第三次的比较结果得到第三位。最后进行第四位的比较，如图c1～c8所示，根据第三位的结果，将DAC正端或负端电容的下极板从连接GND切换到连接Vcm，此时也不会产生动态功耗，再根据比较器第四次比较的结果得到第四位。

对于10位精度的SAR ADC，采用差分结构，单位电容为100fF，量程为-1V～+1V，DAC模块的三级参考电压设为0，1/8V，1/4V。DAC模块的动态功耗降低为49.22fW，比传统的开关切换方法节省了99.96％的功耗。

Claims (2)

1.一种用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块，其特征是，用(-Vref,+Vref)表示SARADC的量程，Vcm表示参考电压，等于1/8Vref，S1～S10为开关，Ci为DAC中的电容，i＝1,..,N-3，DAC一共需要2的N-4次方个单位电容，Vp表示DAC正端的输出，Vn表示DAC负端的输出，Vin和Vip表示ADC的输入，分别通过开关S1和S2连接DAC正端所有电容和负端所有电容的上极板，DAC正端电容的上极板还连接到比较器的正输入端，同时连接到开关S3上，开关S3另外一端连接到大小为I/2的电流源，也连接到开关S5上，开关S5的另外一端连接到大小为I的电流源，DAC正端所有电容的下极板连接到选择开关S7,S9上，S7，S9的另外一端连接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一个；DAC负端电容的上极板还连接到比较器的负输入端，同时连接到开关S4，开关S4的另外一端连接到大小为I/2的电流源，也连接到开关S6上，开关S6的另外一端连接到大小为I的电流源，电容的下极板选择开关S8,S10，开关S8和S10的另外一端连接到2Vcm，Vcm或者GND中的某一个，比较器的输出连接到逻辑模块的输入，逻辑模块的输出控制DAC开关的闭合和断开。

2.如权利要求1所述的用于逐次逼近型模数转换器的数模转换模块，其特征是，工作过程如下：

首先开关S1与S2闭合，电容上极板采样Vin和Vip，比较器根据Vin和Vip的大小产生比较的结果，由比较器的结果得到第一位；然后，开关S1和S2断开，DAC中电容的上极板不再与Vin或Vip相连接，根据是Vp大于Vn还是Vn大于Vp，选择将DAC正端或是负端电容上极板连接到大小为I的电流源，通过电流源对上极板的电荷进行泄放，降低1/2Vref的电压值，不会产生动态功耗，进行第二次的比较，根据比较器第二次的结果得到第二位；然后，电流泄放之后，再次根据Vp大于Vn还是Vn大于Vp，选择将DAC正端或是负端电容上极板连接到大小为I/2的电流源，再次泄放电荷，降低1/4Vref的电压值，也不会产生动态功耗，进行第三次的比较，根据比较器第三次的比较结果得到第三位；然后进行第四位的比较，根据第三位的结果，即根据Vp大于Vn还是Vn大于Vp，将负端或是正端电容的下极板从连接GND切换到连接Vcm，此时依然不会产生动态功耗，进行第四次的比较，根据比较器的结果得到第四位；然后进行第五位的比较，这里需要根据第四位的结果来控制DAC中开关的闭合和断开，在第四位的比较中，如果DAC中下极板连接到Vcm一端的输出电压较大，则将DAC的另外一端中表示第五位权重的电容的下极板连接到Vcm；在第四位的比较中，如果DAC下极板连接到Vcm一端的输出电压较小，将DAC的该端中表示第五位权重的电容的下极板连接到2Vcm，然后比较器进行比较，根据比较器的结果得到第五位；在进行后面位数的比较时，开关切换的方法都同第五位的。