CN106059589A - 一种n位低功耗逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

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吴青龙
梁宇华
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Abstract

本发明公开了一种N位低功耗逐次逼近型模数转换器，包括N‑1对二进制电容，其中，在采样阶段，两个电容阵列的上极板通过采样电路对输入信号进行采样；在第一次比较阶段，电容阵列的上极板断开与差分输入信号的连接，比较器对两个差分输入信号进行第一次比较，并且对应改变电容下极板电位的接法；在后续比较阶段，两个差分输入信号再次进行比较，并改变电容阵列的接法，直到最后一次比较完成。本发明的有益之处在于：电容阵列所消耗的面积得到极大的减小，同时，转换过程中的功耗也得到了优化。

Description

一种N位低功耗逐次逼近型模数转换器
技术领域
本发明涉及一种模数转换器，具体涉及一种N位低功耗逐次逼近型模数转换器，属于电学技术领域。
背景技术
模数转换器作为连接模拟系统和数字处理系统的桥梁，其低功耗设计显得尤为重要。逐次逼近型模数转换器由于其结构简单、面积小、功耗利用率高而广泛应用于各种低功耗限能系统中。
逐次逼近型模数转换器主要由D/A转换器、比较器以及数字逻辑组成，其中，D/A转换器一般采用电容式结构。D/A转换器中单位电容取值主要受工艺的影响，单位电容越大，转换过程中所消耗的能量就越大，整体功耗也会越大。
图1是传统的三位逐次逼近型模数转换器的开关过程的示意图。该模数转换器的最高位电容大小为4C，最低位大小为C。若为N(N≥3)位逐次逼近型模数转换器，其电容所包括的单位电容的个数比例为2N-1:2N-2:…4:2:1:1。Vip及Vin代表差分输入信号，Vref代表高电平电压，Vcm代表共模电压，GND代表低电平电压，且Vref与Vcm满足以下公式：Vcm＝Vref/2。
采样阶段：所有电容的上极板均接共模电压Vcm，与比较器正向输入端的第一电容阵列下极板接Vin，与比较器负向输入端的第二电容阵列下极板接Vip。采样结束后，断开电容阵列上极板与共模电压Vcm的连接，第一电容阵列的最高位电容接Vref，其他位接GND，第二电容阵列的最高位电容接GND，其他位接Vref。
比较阶段：第一次比较过程中，如果差分输入信号Vin大于差分输入信号Vip，则模数转换器的数字输出码为“1”，同时电容的接法保持不变；反之如果差分输入信号Vin小于差分输入信号Vip，则模数转换器的数字输出码为“0”，第一电容阵列的最高位电容由Vref切换到GND，第二电容阵列的最高位电容由GND切换到Vref。接着，第一电容阵列的次高位电容由GND切换到Vref，第二电容阵列的次高位电容由Vref切换到GND，进行第二次比较，并根据比较结果确定相应的电容是保持不变还是切换连接低电平电压GND或高电平电压Vref，直到LSB确定。其中，第一电容阵列中的电容下极板接法和第二电容阵列中电容下极板接法完全相反，即若第一电容阵列中的电容接Vref，则第二电容阵列相对应的电容接GND，若第一电容阵列中的电容接GND，则第二电容阵列相对应的电容接Vref。
图1中也示意了每步转换过程中开关消耗的能量。采用传统结构和开关时序的模数转换器，其完成转换产生的功耗可以表示为：
其中，N为模数转换器的位数，C为D/A转换器的单位电容值，Vref模数转换器的电源电压高电平。
图2是图1中的三位逐次逼近型模数转换器的开关时序控制的逐次逼近波形图。
由图2可知，传统结构开关时序存在的问题是：需要较多的电容，产生较大功耗。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种N位低功耗逐次逼近型模数转换器，其不仅能够避免较大的电容面积，而且能够减小开关过程中产生的功耗。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种N位低功耗逐次逼近型模数转换器，包括N-1对二进制电容，前述N≥3，其特征在于，
(一)、在采样阶段：
第一电容阵列的最高位电容的下极板和第二电容阵列的最高位电容的下极板均接Vref，其他位电容的下极板全部接GND，第一电容阵列的上极板和第二电容阵列的上极板分别接比较器的正端和负端，同时，第一电容阵列的上极板和第二电容阵列的上极板分别通过两个自举开关对两个差分输入信号进行采样，采样结束后，自举开关断开，电荷保持；
(二)、在初次比较阶段：
自举开关断开后，比较器正负输入端的输入信号进行比较：
(1)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，第二电容阵列的最高位电容保持不变，其他位电容由接GND切换到接Vcm；
(2)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容保持不变，其他位电容由接GND切换到接Vcm，第二电容阵列最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变；
(三)、在第二次比较阶段：
(1)如果在初次比较阶段，正向输入端的信号大于负向输入端的信号，那么在第二次比较时：
(i)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vcm切换到接GND，其他位电容保持不变，第二电容阵列的电容保持不变；
(ii)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的电容保持不变，第二电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变；
(2)如果在初次比较阶段，正向输入端的信号小于负向输入端的信号，那么在第二次比较时：
(i)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，第二电容阵列的电容保持不变；
(ii)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的电容保持不变，第二电容阵列的最高位电容的下极板由接Vcm切换到接GND，其他位电容保持不变；
(四)、在后续比较阶段：
(1)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的电容保持不变，第二电容阵列的对应位的上一位在原电位基础上加上一个Vcm；
(2)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的对应位的上一位在原电位的基础上加上一个Vcm，第二电容阵列的电容保持不变，直到最后一位电容比较完成。
前述的N位低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于,前述共模电压Vcm与高电平电压Vref二者之间满足以下公式：
Vcm＝Vref/2。
本发明的有益之处在于：因为在模数转换的过程中，ADC在第二个比较周期内不仅不消耗任何能量，反而产生负能量，所以电容阵列所消耗的面积得到极大的减小，同时，转换过程中的功耗也得到了优化。
附图说明
图1是传统的三位逐次逼近型模数转换器的开关过程的示意图；
图2是图1中的三位逐次逼近型模数转换器的开关时序控制的逐次逼近波形图；
图3(a)至图3(e)是本发明的N位逐次逼进型模数转换器的开关过程的示意图(N＝4)；
图4是采用图3(a)至3(e)中示意的开关时序控制的N位模数转换器的逐次逼近波形图(N＝4)；
图5是采用图3(a)至3(e)中示意的开关时序控制的10位逐次逼近型模数转换器在转换过程中开关功耗随输出码变化的Matlab仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
以四位模数转换器为例，参照图3(a)至3(e)，该四位模数转换器的组成之一--D/A转换器包括两组二进制电容，其中，电容C1、电容C2和电容C3为一组，记为第一电容阵列，该三个电容的大小依次为4C、2C、C，电容C4电容C5和电容C6为另外一组，记为第二电容阵列，该三个电容的大小依次为4C、2C、C，其中C为单位电容大小。
此外，Vip及Vin代表差分输入信号，Vref代表高电平电压，Vcm代表共模电压，GND代表低电平电压，且Vref与Vcm满足以下公式：Vcm＝Vref/2。
一、在采样阶段
第一电容阵列的最高位电容C1的下极板和第二电容阵列的最高位电容C4的下极板均接Vref，其他位电容的下极板全部接GND，第一电容阵列的上极板和第二电容阵列的上极板分别接比较器的正端和负端，同时，第一电容阵列的上极板通过一个自举开关对差分输入信号Vip进行采样，第二电容阵列的上极板通过另一个自举开关对差分输入信号Vin进行采样，从而采样阶段比较器两输入端的电压分别为Vip、Vin。
采样结束后，自举开关断开，电荷保持，即电容C1-C4的上极板断开与输入信号Vip、Vin的连接，开始第一次比较
二、在初次比较阶段
1、正向输入端的信号大于负向输入端的信号
如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip大于负向输入端的差分输入信号Vin，则比较器输出的数字码为“1”，此时：
第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，即电容C1的下极板由接Vref切换到接Vcm，电容C2和电容C3保持不变，此时，电容C1的上极板电压向下平移0.25Vref；
第二电容阵列的最高位电容保持不变，其他位电容由接GND切换到接Vcm，即电容C4保持不变，电容C5和电容C6的下极板由接GND切换到接Vcm，此时，电容C5和电容C6的上极板电压向上平移0.25Vref。
2、正向输入端的信号小于负向输入端的信号
如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip小于负向输入端的差分输入信号Vin，则比较器输出的数字码为“0”，此时：
第一电容阵列的最高位电容保持不变，其他位电容由接GND切换到接Vcm，即电容C1保持不变，电容C2和电容C3的下极板由接GND切换到接Vcm，此时，电容C2和电容C3的上极板电压向上平移0.25Vref；
第二电容阵列最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，即电容C4的下极板由接Vref切换到接Vcm，电容C5和电容C6保持不变，此时，电容C4的上极板电压向下平移0.25Vref。
最高位确定后，开始第二次比较。
三、在第二次比较阶段
1、在初次比较阶段，正向输入端的信号大于负向输入端的信号
如果在初次比较阶段，正向输入端的信号大于负向输入端的信号，那么在第二次比较时：
(1)如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip大于负向输入端的差分输入信号Vin，则：
第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vcm切换到接GND，其他位电容保持不变，即电容C1的下极板由接Vcm切换到接GND，电容C2和电容C3保持不变；
第二电容阵列的电容保持不变。
(2)如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip小于负向输入端的差分输入信号Vin，则：
第一电容阵列的电容保持不变；
第二电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，即电容C4的下极板由接Vref切换到接Vcm，电容C5和电容C6保持不变。
2、在初次比较阶段，正向输入端的信号小于负向输入端的信号
如果在初次比较阶段，正向输入端的信号小于负向输入端的信号，那么在第二次比较时：
(1)如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip大于负向输入端的差分输入信号Vin，则：
第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，即电容C1的下极板由接Vref切换到接Vcm，电容C2和电容C3保持不变；
第二电容阵列的电容保持不变。
(2)如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip小于负向输入端的差分输入信号Vin，则：
第一电容阵列的电容保持不变；
第二电容阵列的最高位电容的下极板由接Vcm切换到接GND，其他位电容保持不变，即电容C4的下极板由接Vcm切换到接GND，电容C5和电容C6保持不变。
四、在后续比较阶段
在第N次比较中：
1、如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip大于负向输入端的差分输入信号Vin，则：
第一电容阵列的电容保持不变，即电容C1、电容C2和电容C3都保持不变；
第二电容阵列的对应位的上一位(即第N-1位)在原电位基础上加上一个VCM，即电容C5由接Vcm切换到接Vref。
2、如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip小于负向输入端的差分输入信号Vin，则：
第一电容阵列的对应位的上一位(即第N-1位)在原电位的基础上加上一个Vcm，即电容C2由接GND切换到接Vcm；
第二电容阵列的电容保持不变，即电容C4、电容C5和电容C6都保持不变。
最后确定最低位，如果比较器的正向输入端的差分输入信号Vip大于负向输入端的差分输入信号Vin，则比较器输出数字码为“1”，反之为“0”。比较输出后不存在开关动作，故这个过程不产生开关功耗。
图4是采用图3(a)至3(e)中示意的开关时序控制的N位模数转换器的逐次逼近波形图(N＝4)。
图5是采用图3(a)至3(e)中示意的开关时序控制的10位逐次逼近型模数转换器在转换过程中开关功耗随输出码变化的Matlab仿真图。
由图4和图5我们可知，本发明的N位低功耗逐次逼近型模数转换器在进行模数转换的过程中，不仅仅开关功耗低，而且输入共模电平基本保持稳定，为SAR ADC在保证低功耗的同时，能够拥有良好的线性度。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种N位低功耗逐次逼近型模数转换器，包括N-1对二进制电容，所述N≥3，其特征在于，
(一)、在采样阶段：
第一电容阵列的最高位电容的下极板和第二电容阵列的最高位电容的下极板均接Vref，其他位电容的下极板全部接GND，第一电容阵列的上极板和第二电容阵列的上极板分别接比较器的正端和负端，同时，第一电容阵列的上极板和第二电容阵列的上极板分别通过两个自举开关对两个差分输入信号进行采样，采样结束后，自举开关断开，电荷保持；
(二)、在初次比较阶段：
自举开关断开后，比较器正负输入端的输入信号进行比较：
(1)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，第二电容阵列的最高位电容保持不变，其他位电容由接GND切换到接Vcm；
(2)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容保持不变，其他位电容由接GND切换到接Vcm，第二电容阵列最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变；
(三)、在第二次比较阶段：
(1)如果在初次比较阶段，正向输入端的信号大于负向输入端的信号，那么在第二次比较时：
(i)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vcm切换到接GND，其他位电容保持不变，第二电容阵列的电容保持不变；
(ii)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的电容保持不变，第二电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变；
(2)如果在初次比较阶段，正向输入端的信号小于负向输入端的信号，那么在第二次比较时：
(i)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的最高位电容的下极板由接Vref切换到接Vcm，其他位电容保持不变，第二电容阵列的电容保持不变；
(ii)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的电容保持不变，第二电容阵列的最高位电容的下极板由接Vcm切换到接GND，其他位电容保持不变；
(四)、在后续比较阶段：
(1)当正向输入端的信号大于负向输入端的信号时，第一电容阵列的电容保持不变，第二电容阵列的对应位的上一位在原电位基础上加上一个Vcm；
(2)当正向输入端的信号小于负向输入端的信号时，第一电容阵列的对应位的上一位在原电位的基础上加上一个Vcm，第二电容阵列的电容保持不变，直到最后一位电容比较完成。
2.根据权利要求1所述的N位低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于,所述共模电压Vcm与高电平电压Vref二者之间满足以下公式：
Vcm＝Vref/2。
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