CN107395205A - 基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器。该模数转换器包括：采样开关(11)；非对称型差分电容阵列(12)，电连接所述采样开关(11)；比较器(13)、电连接所述非对称型差分电容阵列(12)；逐次逼近控制逻辑(14)，电连接所述非对称型差分电容阵列(12)及所述比较器(13)。本发明实施例提供了一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器，通过相较于传统对称结构电容阵列移除第一电容阵列最高为电容，而得到新型非对称差分电容阵列结构，节约了1/4的电容和面积，通过控制逻辑的开关时许，进一步的实现了功耗降低。

Description

基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器。
背景技术
目前随着可穿戴设备的推广和精密的生物仪器的发展，由于逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的结构简单，功耗低等优点，而得到广泛的应用。由于逐次逼近模数转换器不需要诸如运算放大器等线性增益模块，使得SAR ADC能够较好地适应特征尺寸的减小和电源电压降低的工艺演化趋势。随着工艺的进步，SAR ADC所能达到的转换速率也增加到数百兆，从而可以和流水线型模数转换器媲美，并且有着更高的功耗利用率。
SAR ADC主要功耗来源于电容阵列采样和切换的过程中所消耗的能耗。对于传统的基于电容阵列的逐次逼近型模数转换器，由于电容阵列相对较大的面积，导致了传统逐次逼近型模数转换器的精度无法做到很高。
同时，由于传统的基于电容阵列的逐次逼近型模数转换器的电容阵列面积较大，导致了传统逐次逼近型模数转换器的精度无法做到很高，并且会引起功耗的增加的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器。
具体地，本发明的一个实施例提供了一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器，包括：
采样开关11；
非对称型差分电容阵列12，电连接所述采样开关11；
比较器13、电连接所述非对称型差分电容阵列12；
逐次逼近控制逻辑14，电连接所述非对称型差分电容阵列12及所述比较器13。
在本发明的一个实施例中，所述采样开关11包括第一采样开关K1和第二采样开关K2；其中，所述第一采样开关K1电连接所述比较器13的正向输入端；所述第二采样开关K2电连接所述比较器13的反向输入端。
在本发明的一个实施例中，所述非对称型差分电容阵列12包括第一电容阵列121和第二电容阵列122；其中，所述第一电容阵列121的电容上极板电连接所述比较器13的正向输入端；所述第二电容阵列122的电容上极板电连接所述比较器13的反向输入端。
在本发明的一个实施例中，所述第一电容阵列121和所述第二电容阵列122的电容下极板通过控制开关选择性电连接至参考电压端。
在本发明的一个实施例中，所述参考电压端包括电源电压端(Vref)、共模电压端(Vcm)和地电压端(GND)；其中，所述共模电压端(Vcm)电压值为所述电源电压端(Vref)电压值的一半。
在本发明的一个实施例中，所述第一电容阵列(121)包括8个二进制结构的电容；所述第二电容阵列(122)包括9个二进制结构的电容。
在本发明的一个实施例中，所述第一电容阵列121包括第一电容C10、第二电容C11、第三电容C12、第四电容C13、第五电容C14、第六电容C15、第七电容C16以及第八电容C17；其中，所述第一电容(C10)和所述第二电容(C11)的电容值均为C，所述第三电容C12、所述第四电容C13、所述第五电容C14、所述第六电容C15、所述第七电容C16以及所述第八电容C17的电容值依次为2C、4C、8C、16C、32C和64C。
在本发明的一个实施例中，所述第二电容阵列(122)包括第九电容(C20)、第十电容(C21)、第十一电容(C22)、第十二电容(C23)、第十三电容(C24)、第十四电容(C25)、第十五电容(C26)、第十六电容(C27)以及第十七电容(C28)；其中，所述第九电容(C20)和所述第十电容(C21)的电容值均为C，所述第十一电容(C22)、所述第十二电容(C23)、所述第十三电容(C24)、所述第十四电容(C25)、所述第十五电容(C26)、所述第十六电容(C27)以及所述第十七电容(C28)的电容值依次为2C、4C、8C、26C、32C、64C和128C。
本发明实施例提供了一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器，通过相较于传统对称结构电容阵列移除第一电容阵列最高为电容，而得到新型非对称差分电容阵列结构，节约了1/4的电容和面积，通过控制逻辑的开关时许，进一步的实现了功耗降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器的结构框图；
图2为本发明实施例一提供的一种非对称型差分电容阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种逐次逼近控制逻辑的开关时序电路原理图；
图5～图8分别为图4的开关时序电路原理图的A、B、C和D部分示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例一提供的一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器的结构框图。该模数转换器包括：
采样开关11；
非对称型差分电容阵列12，电连接所述采样开关11；
比较器13、电连接所述非对称型差分电容阵列12；
逐次逼近控制逻辑14，电连接所述非对称型差分电容阵列12及所述比较器13。
其中，所述采样开关11包括第一采样开关K1和第二采样开关K2；其中，所述第一采样开关K1电连接所述比较器13的正向输入端；所述第二采样开关K2电连接所述比较器13的反向输入端。
进一步地，请参见图2，图2为本发明实施例一提供的一种非对称型差分电容阵列的结构示意图。所述非对称型差分电容阵列12包括第一电容阵列121和第二电容阵列122；其中，所述第一电容阵列121的电容上极板电连接所述比较器13的正向输入端；所述第二电容阵列122的电容上极板电连接所述比较器13的反向输入端。
优选地，所述第一电容阵列121和所述第二电容阵列122的电容下极板通过控制开关选择性电连接至参考电压端。
其中，所述参考电压端包括电源电压端(Vref)、共模电压端(Vcm)和地电压端(GND)；其中，所述共模电压端(Vcm)电压值为所述电源电压端(Vref)电压值的一半。
进一步地，所述第一电容阵列(121)包括8个二进制结构的电容；所述第二电容阵列(122)包括9个二进制结构的电容。
具体地，所述第一电容阵列121包括第一电容C10、第二电容C11、第三电容C12、第四电容C13、第五电容C14、第六电容C15、第七电容C16以及第八电容C17；其中，所述第一电容(C10)和所述第二电容(C11)的电容值均为C，所述第三电容C12、所述第四电容C13、所述第五电容C14、所述第六电容C15、所述第七电容C16以及所述第八电容C17的电容值依次为2C、4C、8C、16C、32C和64C。
具体地，所述第二电容阵列(122)包括第九电容(C20)、第十电容(C21)、第十一电容(C22)、第十二电容(C23)、第十三电容(C24)、第十四电容(C25)、第十五电容(C26)、第十六电容(C27)以及第十七电容(C28)；其中，所述第九电容(C20)和所述第十电容(C21)的电容值均为C，所述第十一电容(C22)、所述第十二电容(C23)、所述第十三电容(C24)、所述第十四电容(C25)、所述第十五电容(C26)、所述第十六电容(C27)以及所述第十七电容(C28)的电容值依次为2C、4C、8C、26C、32C、64C和128C。
本发明实施例提供了一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器，通过相较于传统对称结构电容阵列移除第一电容阵列最高为电容，而得到新型非对称差分电容阵列结构，节约了1/4的电容和面积。
实施例二
请参见图3，图3为本发明实施例二提供的一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；该模数转换器包括：采样网络、与采样网络电连接的非对称型差分电容阵列、与所述非对称型差分电容阵列电连接的比较器、与所述比较器的输出端电连接的逐次逼近控制逻辑；其中，
所述非对称型差分电容阵列包括电连接所述比较器正相输入端的第一电容阵列和电连接比较器电路反相输入端的第二电容阵列；
所述逐次逼近控制逻辑的输出端控制与所述非对称型差分电容阵列的电容下极板电连接的电压开关时序；
进一步地，所述第一电容阵列由7组二进制结构的电容和一位冗余电容组成；所述第二电容阵列由8组二进制结构的电容和一位冗余电容组成；所述第一电容阵列与第二电容阵列去除最高位二进制电容的剩余结构一致；其中第一和第二电容阵列的各自最高位电容均可拆分为余下电容的结构；
所述最高位二进制电容是二进制首位最高电容，也就是图3中的C28。
具体地，所述第一电容阵列的第一电容C10的电容值为C，第二电容C11的电容值等于第一电容C10的电容值C，第三电容C12至第八电容C17的电容值为C1i+1＝2C1i，其中，i为1≤i≤6的自然数；
所述第一电容阵列的第一电容C20的电容值为C，第二电容C21的电容值等于第一电容C20的电容值C，第三电容C22至第九电容C28的电容值为C1i+1＝2C1i，其中，i为1≤i≤7的自然数。
所述第一电容阵列和所述第二电容阵列下极板初始电连接共模电压端Vcm；
其中，所述非对称型差分电容阵列对信号进行采样，并将采样结果输入至所述比较器，所述比较器的比较结果输入至所述逐次逼近控制逻辑，所述逐次逼近控制逻辑接收比较器的比较结果以及比较完成信号，分别相应地依次切换第一、第二电容阵列的每组电容所连接的电压开关直至完成逐次逼近过程，同时锁存并输出每次比较结果，并且在下一次采样时把所有电容的下极板复位到初始值。
进一步地，初始状态为第一电容阵列和第二电容阵列的所有电容下极板选择连接共模电压Vcm，上极板通过采样开关连接输入模拟信号；初次比较完成后逐次逼近控制逻辑根据初次比较器结果，若正相输入信号电位大于反相输入信号电位，则控制第二电容阵列的所有电容由共模电压Vcm切换至电源电位Vref，反之则控制第二电容阵列的所有电容由共模电压Vcm切换至地电压GND；最后一次比较结果信号完成后逐次逼近控制逻辑控制第二电容阵列最低位电容由当前值切换至共模电压Vcm，同时控制逻辑根据比较器输出结果决定是否做出电压切换。
其中所述Vref为电源电压，共模电压Vcm＝Vref/2；GND为地电压。
实施例三
为了便于理解本发明的工作原理，本实施例在上述实施例的基础上，本实施例以4位开关时序为例对逐次逼近型模数转换器的实施流程进行说明，其中，4位开关时序进行逐次逼近比较四次。
具体地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种逐次逼近控制逻辑的开关时序电路原理图；所述逐次逼近控制逻辑控制的开关时序包括；初始状态为第一和第二电容阵列的所有电容下极板选择连接共模电压Vcm，上极板通过采样开关连接输入模拟信号；初次比较完成后，逐次逼近控制逻辑根据初次比较器结果，若正相输入信号大于反相输入信号，则控制第二电容阵列的所有电容由共模电压Vcm切换至电源电位Vref；若正向输入信号小于反向输入信号，则第二电容阵列所有电容由共模电压Vcm切换至地电压GND。
进一步地，在后续比较中，若正向输入信号小于反向输入信号时，则所述第二电容阵列的电容下极板接法不变，第一电容阵列对应的位电容(由最高位开始)下极板由共模电压Vcm切换至电源电位Vref；若正向输入信号大于反向输入信号时，则所述第二电容阵列对应位的电容下极板接法不变，第一电容阵列对应的位电容下极板由共模电压Vcm切换至地电压GND；
进一步的，请参见图5～图8，图5～图8分别为图4的开关时序电路原理图的A、B、C和D部分示意图；所述第一电容阵列和所述第二电容阵列的开关时序还包括：
在最后一次比较时，若初次比较所述正向输入信号大于所述反相输入信号下，且本次所述正向输入信号大于所述反相输入信号，则所述第一电容阵列最低位电容由共模电压Vcm切换至地电压GND，所述第二电容阵列最低位电容由电源电位Vref切换至共模电压Vcm；其中，
若本次所述正向输入信号小于所述反相输入信号，所述第一电容阵列的电容下极板接法不变，所述第二电容阵列最低位电容由电源电位Vref切换至共模电压Vcm；
若初次比较所述正向输入信号小于所述反相输入信号下，且本次所述正向输入信号大于所述反相输入信号，所述第一电容阵列的电容下极板接法不变，所述第二电容阵列最低位电容由地电压GND切换至共模电压Vcm；其中
若本次所述正向输入信号大于所述反相输入信号，所述第一电容阵列最低位电容由共模电压Vcm切换至电源电位Vref，所述第二电容阵列最低位电容由地电压GND切换至共模电压Vcm；
进一步地，输出比较得到的二进制码和转换完成信号，同时电容阵列下极板复位至初始值。
本实施例通过非对称型电容阵列，相对于传统9组二进制结构和冗余位的电容组成10位逐次逼近型模数转换切换电容阵列，节约了1/4的电容面积。同时通过逐次逼近控制逻辑来实施电容电位的开关切换时序，也进一步的节省了数模转换器的功耗。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于非对称型差分电容阵列的逐次逼近型模数转换器，包括：
采样开关(11)；
非对称型差分电容阵列(12)，电连接所述采样开关(11)；
比较器(13)、电连接所述非对称型差分电容阵列(12)；
逐次逼近控制逻辑(14)，电连接所述非对称型差分电容阵列(12)及所述比较器(13)。
2.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述采样开关(11)包括第一采样开关(K1)和第二采样开关(K2)；其中，所述第一采样开关(K1)电连接所述比较器(13)的正向输入端；所述第二采样开关(K2)电连接所述比较器(13)的反向输入端。
3.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述非对称型差分电容阵列(12)包括第一电容阵列(121)和第二电容阵列(122)；其中，所述第一电容阵列(121)的电容上极板电连接所述比较器(13)的正向输入端；所述第二电容阵列(122)的电容上极板电连接所述比较器(13)的反向输入端。
4.根据权利要求3所述的模数转换器，其特征在于，所述第一电容阵列(121)和所述第二电容阵列(122)的电容下极板通过控制开关选择性电连接至参考电压端。
5.根据权利要求4所述的模数转换器，其特征在于，所述参考电压端包括电源电压端(Vref)、共模电压端(Vcm)和地电压端(GND)；其中，所述共模电压端(Vcm)电压值为所述电源电压端(Vref)电压值的一半。
6.根据权利要求3所述的模数转换器，其特征在于，所述第一电容阵列(121)包括8个二进制结构的电容；所述第二电容阵列(122)包括9个二进制结构的电容。
7.根据权利要求6所述的模数转换器，其特征在于，所述第一电容阵列(121)包括第一电容(C10)、第二电容(C11)、第三电容(C12)、第四电容(C13)、第五电容(C14)、第六电容(C15)、第七电容(C16)以及第八电容(C17)；其中，所述第一电容(C10)和所述第二电容(C11)的电容值均为C，所述第三电容(C12)、所述第四电容(C13)、所述第五电容(C14)、所述第六电容(C15)、所述第七电容(C16)以及所述第八电容(C17)的电容值依次为2C、4C、8C、16C、32C和64C。
8.根据权利要求6所述的模数转换器，其特征在于，所述第二电容阵列(122)包括第九电容(C20)、第十电容(C21)、第十一电容(C22)、第十二电容(C23)、第十三电容(C24)、第十四电容(C25)、第十五电容(C26)、第十六电容(C27)以及第十七电容(C28)；其中，所述第九电容(C20)和所述第十电容(C21)的电容值均为C，所述第十一电容(C22)、所述第十二电容(C23)、所述第十三电容(C24)、所述第十四电容(C25)、所述第十五电容(C26)、所述第十六电容(C27)以及所述第十七电容(C28)的电容值依次为2C、4C、8C、26C、32C、64C和128C。
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