CN108111171B

CN108111171B - 适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法

Info

Publication number: CN108111171B
Application number: CN201711377934.7A
Authority: CN
Inventors: 徐永键; 陆许明; 谢灿林
Original assignee: SYSU HUADU INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY INSTITUTE; Sun Yat Sen University
Current assignee: SYSU HUADU INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY INSTITUTE; Sun Yat Sen University
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: CN108111171A

Abstract

本发明公开一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法，应用于n位模数转换器，包括比较器和n‑1位的二进制开关电容；首先实现低功耗的单调电容开关方法，再结合分段式的电容阵列，且使用单位电容作为桥接电容，通过缩小电容阵列，减小芯片面积、单次充放电时的能耗以及充放电时间，降低模数转换器的开关功耗，提高模数转换器速度，有效地降低了成本。

Description

适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，更具体地，涉及一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法。

背景技术

以4位差分逐次逼近型模数转换器为例，传统的差分结构逐次逼近型模数转换器的电容阵列切换方法如图1所示。其中C为单位电容，V_P为差分信号正输入端电压，V_N差为分信号负输入端电压。V_REF是外部引入的参考电压，GND为地端，V_DACP为比较器正输入端电压，V_DACN为比较器负输入端电压。在图1中，采样阶段所有电容上极板均接输入共模电压V_CM，下极板接差分输入信号V_P，V_N。

采样结束后，断开电容上极板与共模电压的连接以及电容下极板与输入信号的连接。对于原来接V_P的电容阵列，将V_REF接入电容阵列的最高位电容(MSB)的下极板，其余低位电容下极板接GND。对于原来接VN的电容阵列，将GND接入电容阵列的最高位电容(MSB)上极板，其余低位电容下极板接V_REF。

开始第一轮比较，如果V_DACP小于V_DACN，则输出数字码1，电容接法不改变。如果V_DACP大于V_DACN，则输出数字码0，同时V_DACP端最高位电容下极板从V_REF切换至GND，V_DACN最高位电容下极板从GND切换至V_REF。接着V_DACP端次高位(MSB-1)电容下极板接V_REF，V_DACN端次高位电容下极板接GND。开始第二轮比较，根据第二次比较结果得出的V_DACP与V_DACN的大小，重复与第一轮相同的设置电容的方式以决定下一轮的电容阵列连接设置，反复上述步骤直至设置到最低位电容(LSB)，至此我们能获得相应需求位数的数字码。对于n位的模数转换器，我们通过上述n次比较和设置电容阵列的过程，可以获得最终的n位输出数字码。如图1所示的每步转换过程中开关消耗的能量，采用传统结构开关方法的模数转换器，其开关时序控制下的波形转换如图2所示。完成转换过程产生的功耗可以表示为：

其中，n为模数转换器的位数，C为电容阵列的单位电容大小，V_REF为模数转换器的参考电平，在传统开关时序控制下的逐次逼近波形如图2所示。可以看出在传统的开关时序控制下，二进制的电容会导致模数转换器位数要求较大时，电容过大，且需要多次充放电大电容，因而功耗因此也较大。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法，应用于n位模数转换器，包括比较器和n-1位的二进制开关电容；首先实现低功耗的单调电容开关方法，再结合分段式的电容阵列，且使用单位电容作为桥接电容，通过缩小电容阵列，减小芯片面积、单次充放电时的能耗以及充放电时间，降低模数转换器的开关功耗，提高模数转换器速度；其中，实现低功耗的单调电容开关方法包括以下步骤：

S1：对电路进行采样；

S2：结束电路采样；

S3：进行第一次比较器正负输入端电压比较；

S4：进行第二次比较器正负输入端电压比较；

S5：重复第二次比较的过程，直至确定最小的电容(LSB)；

在一种优选方案中，在步骤S1中，接正输入的电容阵列的上极板此时接入V_P，对正输入电压V_P进行采样；另一部分的电容阵列上极板接入V_N，对负输入电压V_N进行采样；两部分电容阵列最高位的电容下极板接GND，其他电容下极板接参考电压V_REF，使得比较器正负输入端电压等于采样电压V_P，V_N。

在一种优选方案中，在步骤S2中，断开采样开关与电容上极板的连接，存在比较器正输入端电压V_DACP＝V_P，比较器负输入端电压V_DACN＝V_N。

在一种优选方案中，在步骤S3中，若V_DACP大于V_DACN，比较器输出数字码1，正输入电容阵列的最高位保持不变，负输入电容阵列的最高位下极板切换至参考电压V_REF，其他电容接法保持不变，V_DACN＝V_DACN+1/2V_REF；若V_DACP小于V_DACN，比较器输出数字码0，负输入电容阵列最高位保持不变，正输入电容阵列的最高位下极板切换至参考电压V_REF，其他电容接法保持不变，此时V_DACP＝V_DACP+1/2V_REF。

在一种优选方案中，在步骤S4中，若V_DACP大于V_DACN，比较器输出数字码1，正输入电容阵列的次高位下极板切换至GND，其他电容接法保持不变，V_DACP＝V_DACP-1/2V_REF；若V_DACP小于V_DACN，比较器输出数字码0，负输入电容阵列的次高位下极板切换至GND，其他电容接法保持不变，V_DACN＝V_DACN-1/2V_REF。

对于n位模数转换器，上述改进型单调开关时序通过设置不同于其他位的最高位电容初始状态，实现从采样到第二次比较均没有能量消耗。显然，最高位电容作为二进制电容阵列的最高位，其消耗的能量占总消耗能量比较高。通过这一改进设置能够有效地降低能量消耗。采用这一开关时序，在未采用分段电容的情况时能够得到的平均功耗为：

其中n为模数转换器的位数，C为模数转换器电容阵列单位电容值，V_REF为模数转换器电容阵列下极板的参考电压。

此时，引入分段电容阵列代替原有的电容阵列，能够进一步降低功耗，但在使用单位电容作为桥接的同时会引入1LSB的增益误差。此时，采用的开关方法与上述基本相同，唯一不同的点在于此时每次切换后，V_DACN或V_DACP的变化幅度并非1/2V_REF，而是略大于这个值(例如是3/5V_REF)，此后的每一次单次切换并非按照1/2V_REF的比例增加或减少。

在引入分段电容阵列的单调开关方法中，原先的二进制电容阵列最高位电容为2ⁿC，在分段后能降低到2^n-1C。不仅大幅减小了芯片面积，有效地降低了成本，实现功耗的进一步降低，此时能够得到的平均功耗为：

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法，应用于n位模数转换器，包括比较器和n-1位的二进制开关电容；首先实现低功耗的单调电容开关方法，再结合分段式的电容阵列，且使用单位电容作为桥接电容，通过缩小电容阵列，减小芯片面积、单次充放电时的能耗以及充放电时间，降低模数转换器的开关功耗，提高模数转换器速度，有效地降低了成本。

附图说明

图1为传统差分结构逐次逼近型模数转换器开关转换过程图。

图2为传统差分结构的开关时序下波形的逐次变换图。

图3为本发明实施例1改进的逐次逼近型开关时序下波形的逐次变换图。

图4为本发明实施例1改进的n位逐次逼近型开关方法变换流程图。

图5为本发明实施例1的n位模数转换器电容阵列低段电容的等效模型图。

图6为本发明实施例1的4位模数转换器实例开关转换过程部分示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图3～4所示，一种用于差分结构的逐次逼近型模数转换器的改进型单调开关的方法，其应用于n位模数转换，包括比较器和n-1位的二进制开关电容。而使用非二进制电容阵列时，并不影响开关方法，只影响每次切换后的电压变换量。

如图5所示，为方便起见，我们在考虑高段电容的切换及能量消耗时，将低段电容与桥接电容转换成一个等价电容C_EFF。显然，这种等效转换并不影响实际的能量消耗和开关方法，只便于我们进行分析。同样地，在考虑低段电容的切换时，我们将高段电容转换为一个等价电容C_EFF，便于我们进行分析。

在具体实施过程中，以4位分段模数转换器为例，对于4位分段模数转换器，其电容阵列通过桥接的单位电容C将普通二进制电容阵列分割成高段和低段电容的串联。高段电容包括一个2C大小的高位电容和一个C大小的低位电容，低段电容为高端电容的复制。

在采样阶段，正输入电容阵列的全部上极板接入V_P，最高位电容的下极板接入GND，其他位电容下极板接入V_REF。负输入电容阵列全部上极板接入V_N，最高位电容的下极板接入GND，其他位电容下极板接入V_REF。

采样结束后，电容上极板断开与输入的连接并开始进行比较，此时V_DACP＝V_P，V_DACN＝V_N。此时无能量消耗。

比较完成后，当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码为1，同时V_DACN下极板由GND切换到V_REF，其他电容接法保持不变，此时负输入电容电压为V_DACN＝V_DACN+3/5V_REF；低段电容与桥接电容的等效电容为C_EFF＝3/4C，在这一步切换过程中，产生的能量消耗为：

反之，当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码为0，同时V_DACP下极板由GND切换至V_REF，其他电容接法保持不变，此时正输入电容阵列的上极板电压V_DACP＝V_DACP+3/5V_REF；相似地，此切换过程同样不产生能量消耗。

在第一步切换完成后，进入第二次比较。当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码1，同时V_DACP下极板由V_REF切换至GND，其他电容接法保持不变，此时V_DACP＝V_DACP-4/15V_REF；假定第一次切换时，最高位电容下极板切换至GND，此时造成的能量消耗为：

反之，当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码0，同时V_DACN下极板由V_REF切换至GND，其他电容接法保持不变，此时V_DACN＝V_DACN-4/15V_REF；假定第一次切换时，最高位电容下极板接入V_REF，此时造成的能量消耗为：

显然，此后的比较中，高段电容下极板连接不会再改变，此时我们可以将高段电容与桥接电容等效为一个等效电容C_EFF＝3/4C。从而便于计算能量消耗。

进入第三次比较。当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码1，同时V_DACP下极板由V_REF切换至GND,其他电容接法保持不变，此时V_DACP＝V_DACP-8/15V_REF。假定前两次切换中，正输入电容阵列的较高位电容下极板均接GND，则此时造成的能量消耗为：

反之，当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码0，同时V_DACN下极板由V_REF切换至GND，其他电容接法保持不变。此时V_DACN＝V_DACP-8/15V_REF，假定前两次切换中，负输入电容阵列的较高位电容下极板均接V_REF，则此时造成的能量消耗为：

进入第四次比较。当V_DACP大于V_DACN时，比较器输出数字码1，同时V_DACP下极板由V_REF切换至GND，其他电容接法不变。此时V_DACP＝V_DACP-4/15V_REF。假定在前三次转换中，正输入电容阵列的较高位电容下极板均接GND，则此时造成的能量消耗为：

反之，当V_DACP小于V_DACN时，比较器输出数字码0，同时V_DACN下极板由V_REF切换至GND，其他电容接法不变。此时V_DACN＝V_DACN-4/15V_REF。假定在前三次转换中，负输入电容阵列的较高位电容下极板均接V_REF，则此时造成的能量消耗为：

至此，4位模数转换器的转换完成。除第一次外，第二次开始的每一次切换都对下一次造成的功耗存在影响，因而在上述实例中我们在单次比较中只列举了其中可能的两种极端情况，其他部分情况如图6所示。显然，在第一步过程中，尽管我们针对V_DACP与V_DACN的大小比较做出了开关决策，但是所产生的能量消耗为0。作为最高位的电容，这一减少的能量消耗能有效降低电容阵列开关过程造成的能量消耗。

另外，由于采用了分段电容的形式，且桥接电容使用了单位电容，造成了一定的增益误差。但是在综合考虑成本和功耗时，可以得知分段电容的好处在于通过采用分段的结构将整体需要的电容缩小为原来传统二进制结构的一半，降低了50％的能量消耗和50％的电容面积消耗。因而采用分段所造成的增益误差是能够接受的。再结合本发明改进的单调开关时序，相较于传统的开关时序，可以有效地将能量消耗降低。本发明可以根据需要的差分结构的逐次逼近型模数转换器的位数进行适配，同样能够降低能量消耗。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法，其特征在于，首先实现单调电容开关方法，再结合分段式的电容阵列，且使用单位电容作为桥接电容，通过缩小电容阵列，减小芯片面积、单次充放电时的能耗以及充放电时间，降低模数转换器的开关功耗，提高模数转换器速度；其中，实现单调电容开关方法包括以下步骤：

S1：对电路进行采样；

S2：结束电路采样；

S3：进行第一次比较器正负输入端电压比较；

S4：进行第二次比较器正负输入端电压比较；

S5：重复第二次比较的过程，直至确定最小的电容；在步骤S1中，接正输入的电容阵列的上极板此时接入V_P，对正输入电压V_P进行采样；另一部分的电容阵列上极板接入V_N，对负输入电压V_N进行采样；两部分电容阵列最高位的电容下极板接GND，其他电容下极板接参考电压V_REF，使得比较器正负输入端电压等于采样电压V_P，V_N；在步骤S2中，断开采样开关与电容上极板的连接，存在比较器正输入端电压V_DACP＝V_P，比较器负输入端电压V_DACN＝V_N；

在步骤S3中，若V_DACP大于V_DACN，比较器输出数字码1，正输入电容阵列的最高位保持不变，负输入电容阵列的最高位下极板切换至参考电压V_REF，其他电容接法保持不变，V_DACN＝V_DACN+1/2V_REF；若V_DACP小于V_DACN，比较器输出数字码0，负输入电容阵列最高位保持不变，正输入电容阵列的最高位下极板切换至参考电压V_REF，其他电容接法保持不变，此时V_DACP＝V_DACP+1/2V_REF；

在步骤S4中，若V_DACP大于V_DACN，比较器输出数字码1，正输入电容阵列的次高位下极板切换至GND，其他电容接法保持不变，V_DACP＝V_DACP-1/2V_REF；若V_DACP小于V_DACN，比较器输出数字码0，负输入电容阵列的次高位下极板切换至GND，其他电容接法保持不变，V_DACN＝V_DACN-1/2V_REF；

使用单位电容作为桥接电容，每次切换后，V_DACN或V_DACP的变化幅度大于1/2V_REF；

采用这一开关时序，在未采用分段电容的情况时能够得到的平均功耗为：

其中n为模数转换器的位数，C为模数转换器电容阵列单位电容值，VREF为模数转换器电容阵列下极板的参考电压。

2.根据权利要求1所述的适用于差分结构逐次逼近型模数转换器单调式开关方法，其特征在于，在步骤S4中，若V_DACP大于V_DACN，比较器输出数字码1，正输入电容阵列的次高位下极板切换至GND，其他电容接法保持不变，V_DACP＝V_DACP-1/2V_REF；若V_DACP小于V_DACN，比较器输出数字码0，负输入电容阵列的次高位下极板切换至GND，其他电容接法保持不变，V_DACN＝V_DACN-1/2V_REF。