CN106253900B - 逐次逼近模数转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种逐次逼近模数转换器，包括：数模转换模块，接收模拟输入电压；共模电平产生模块，产生共模电平；比较器，其第一输入端与所述数模转换模块的输出端连接，其第二个输入端与所述共模电平产生模块连接；逻辑模块，与所述比较器的输出端连接；以及采样保持模块，连接在所述共模电平产生模块与所述比较器的第二输入端之间，在转码阶段，所述采样保持模块保持采样阶段结束时共模电平的电压值。本发明提高了逐次逼近模数转换器的抗电源抖动的能力。

Description

逐次逼近模数转换器
技术领域
本发明涉及模数转换器，尤其涉及逐次逼近模数转换器，具体地说中，涉及可以抗共模电压抖动影响的逐次逼近模数转换器。
背景技术
逐次逼近(SAR)模数转换器(ADC)是采样速率低于5Msps的中等至高分辨率应用的常见结构。具有低功耗、小尺寸等特点，因此获得了很广的应用范围。
图1示出了现有技术中逐次逼近模数转换器的一种结构。如图1所示，这种逐次逼近模数转换器主要包括四个模块：数模转换模块(DAC)101、比较器102、共模电平(Vcm)产生模块103和逻辑模块104。
数模转换模块DAC101主要由多个并联的采样电容器C0、C1、…、CN-1构成，每个采样电容器C0、C1、…、CN-1通过三个开关SW21、SW22和SW23分别接收模拟输入Vin、接收参考电压Vref和接地。
比较器102具有两个输入端：正输入端和负输入端，在正输入端和负输入端之间跨接有开关SW1。
共模电平产生模块103输出共模电平Vcm，该共模电平Vcm输出至比较器102的负输入端。数模转换模块101的采样电容器C0、C1、…、CN-1的上极板连接到比较器102的正输入端。
在采样阶段，开关SW21和SW1闭合，采样电容器C0、C1、…、CN-1的下极板连接到模拟输入电压Vin，上极板连接到共模电平Vcm上。在采样完全建立后，Vdac＝Vcm，采样电容器两端的电压为Vcm-Vin。
在转码阶段，采样电容器的下极板与模拟输入电压断开，根据逻辑控制连接到参考电压上或接地，开关SW1也断开。此时，比较器102正输入端的电压Vdac如下：
Figure BDA0001075713630000021
其中Ceq为连接到Vref的采样电容，Ctotal为整个采样电容器阵列的总电容。比较器102正输入端的输入电压为
Figure BDA0001075713630000022
负输入端的输入电压为Vcm。Vcm项作为共模电平在转码比较过程中被消除，比较器102实际是在判断
Figure BDA0001075713630000023
的正负。逻辑电路104根据比较器102的输出结果，决定下一个比较周期的输出码字，以控制采样电容Ceq的大小，使比较器102的正输入端上的电压Vdac逐次逼近共模电平Vcm值。
在实际使用时，共模电平产生模块103的电源电压Vdd会发生抖动，假设电源电压Vdd的抖动引起共模电平Vcm变为Vcm+ΔVcm。在转码阶段，采样电容器中存储的共模电压仍为原来的Vcm，此时比较器实际是在判断
Figure BDA0001075713630000024
的正负，比较结果就会出错，最大能产生ΔVcm的误差。
图2示出了电源Vdd的抖动干扰对逐次逼近模数转换器工作的影响。图2A是电源电压Vdd波形；图2B是采样控制信号波形；图2C是共模电压Vcm波形；图2D是模拟输入电压Vin波形和比较器正输入端的电压Vdac波形。
图中，Vdd为电源电压，假设Vdd电压为5V，迭加一个正弦干扰信号，幅度为100mV(参见图2A)。在采样阶段，共模电平Vcm的电压受到电源电压的影响也在抖动。模拟输入电压Vin为3V输入电压，Vdac为数模转换模块DAC每次转换完成后，对输出码字做二进制到十进制转换后得到的值。可以看到由于共模电压Vcm抖动导致输出码字出现明显的错误。如果共模电压Vcm没有很好的电源抑制性能，则逐次逼近模数转换器的抗电源抖动能力很差。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种提高抗电源抖动能力的逐次逼近模数转换器。
根据上述目的，本发明提供的逐次逼近模数转换器，包括：
数模转换模块，接收模拟输入电压；
共模电平产生模块，产生共模电平；
比较器，其第一输入端与所述数模转换模块的输出端连接，其第二个输入端与所述共模电平产生模块连接；
逻辑模块，与所述比较器的输出端连接；以及
采样保持模块，连接在所述共模电平产生模块与所述比较器的第二输入端之间，在转码阶段，所述采样保持模块保持采样阶段结束时共模电平的电压值。
在上述的逐次逼近模数转换器中，在所述比较器正输入端与负输入端之间连接有一第一开关；在从所述采样阶段转换到所述转码阶段时，所述开关从闭合状态转换成断开状态。
在上述的逐次逼近模数转换器中，所述采样保持模块保持所述第一开关断时刻的共模电平的电压值。
在上述的逐次逼近模数转换器中，所述采样保持模块包括一电容和一第二开关，所述电容保持所述共模电平的电压，在由采样阶段转换到转码阶段时，所述第二开关由闭合转换为断开，从而使所述电容保持该时刻的共模电平的电压。
在上述的逐次逼近模数转换器中，所述采样保持模块还包括一运算放大器，与所述电容相连。
附图说明
图1示出了现有技术中逐次逼近模数转换器的一种结构；
图2示出了电源Vdd的抖动干扰对逐次逼近模数转换器工作的影响。其中：图2A是电源电压Vdd波形；图2B是采样控制信号波形；图2C是共模电压Vcm波形；图2D是模拟输入电压Vin波形和比较器正输入端的电压Vdac波形；
图3示出了本发明的逐次逼近模数转换器的电路原理图；
图4A至4C示出了采样保持模块305的三个实施例的具体结构图；
图5A-D示出了本发明的达到的技术效果。其中：图5A示出了电源电压Vdd波形；图5B是采样控制信号波形；图5C是共模电压Vcm波形；图5D是模拟输入电压Vin波形和比较器正输入端的电压Vdac波形。
具体实施方式
请参见图3，图3示出了本发明的逐次逼近模数转换器的电路原理图。该逐次逼近模数转换器包括数模转换模块(DAC)301、比较器302、共模电路产生模块303和逻辑模块304。
数模转换模块301主要由多个并联的采样电容器构成，每个采样电容器通过三个开关分别接收模拟输入Vin、接收参考电压Vref和接地。
比较器302具有两个输入端：正输入端和负输入端，在正输入端和负输入端之间跨接有开关SW31。
共模电平产生模块303输出共模电平Vcm。逻辑电路304根据比较器302的输出结果，决定下一个比较周期的输出码字。
这些结构与现有技术类似，与现有技术不同之处在于，本发明增加了一个采样保持模块305，设置在共模电平产生模块303与比较器302之间。共模电平产生模块303通过该采样保持模块305连接到比较器302的负输入端。
采样保持模块305的作用是在逐次逼近模数转换器由采样阶段转换为转码阶段时，保持该时刻共模电平产生模块303输出的共模电平。也就是说，采样保持模块305在转码阶段，保持采样阶段结束时共模电平的电压值。
图4A至4C示出了采样保持模块305的三个实施例的具体结构图。如图4A所示，采样保持模块305可以包括一个电容C31和一个开关SW32。在开采样阶段，开关SW32闭合，电容C31上的电压Vinn等于共模电平产生模块303产生的共模电平Vcm。当逐次逼近模数转换器从采样阶段转换成转码阶段时，开关SW32断开，此时，电容C31上的电压Vinn将保持开关SW32断开时共模电平Vcm的电压。
如背景技术中所述，由于共模电平产生模块303的电源电压Vdd会发生抖动，因此，其输出的共模电平Vcm也会变化。在本发明中增设了采样保持模块305后，由于电容C31上的电压Vinn在转码阶段不再受共模产生模块303的影响，因此，可以有效地消除电源电压Vdd抖动产生的影响。从而提高了逐次逼近模数转换器的抗电源抖动的能力。
图4B示出了采样保持模块305的另一个实施例。在该实施例中，在图4A实施例基础上，增加了一个运算放大器OP1，该运算放大器OP1与电容C32相连，并形成一个负反馈组态，保持电路的稳定性。
图4C示出了采样保持模块306的又一个实施例，其工作原理是本领域技术人员已知的，在此不再赘述。
下面结合图5A-D描述本发明的达到的技术效果。其中：图5A示出了电源电压Vdd波形；图5B是采样控制信号波形；图5C是共模电压Vcm波形；图5D是模拟输入电压Vin波形和比较器正输入端的电压Vdac波形。
图中，Vdd为电源电压，假设Vdd电压为5V，迭加一个正弦干扰信号，幅度为100mV(参见图5A)。在采样阶段，共模电平Vcm的电压受到电源电压的影响也在抖动。模拟输入电压Vin为3V输入电压，Vdac为数模转换模块DAC每次转换完成后，对输出码字做二进制到十进制转换后得到的值。可以看到由于在采样保持模块305已保持了采样阶段结束时共模电平的电压值，因此，在转码阶段，输入到比较的共模电平Vcm不再受到的电源电压抖动的影响。所以即使电源电压在转码阶段发生抖动，本发明的逐次逼近模数转换器仍能输出正确的码字。
以上的实施例是以全电容型逐次逼近模数转换器为例，但应当理解，本发明的构思也可以应用于分段电容型、分段电阻开进等逐次逼近模数转换器中。

Claims (5)

1.一种逐次逼近模数转换器，包括：
数模转换模块，接收模拟输入电压；
共模电平产生模块，产生共模电平；
比较器，其第一输入端与所述数模转换模块的输出端连接，其第二输入端与所述共模电平产生模块连接；以及
逻辑模块，与所述比较器的输出端连接；
其特征在于，还包括：
采样保持模块，连接在所述共模电平产生模块与所述比较器的第二输入端之间，在转码阶段，所述采样保持模块保持采样阶段结束时共模电平的电压值。
2.如权利要求1所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，在所述比较器第一输入端与第二输入端之间连接有一第一开关；在从所述采样阶段转换到所述转码阶段时，所述开关从闭合状态转换成断开状态。
3.如权利要求2所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述采样保持模块保持所述第一开关断开时刻的共模电平的电压值。
4.如权利要求1所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述采样保持模块包括一电容和一第二开关，所述电容保持所述共模电平的电压，在由采样阶段转换到转码阶段时，所述第二开关由闭合转换为断开，从而使所述电容保持该时刻的共模电平的电压。
5.如权利要求4所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述采样保持模块还包括一运算放大器，与所述电容相连。
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