CN109660259B - 恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器及其开关方法 - Google Patents

恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器及其开关方法 Download PDF

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CN109660259B CN201811531891.8A CN201811531891A CN109660259B CN 109660259 B CN109660259 B CN 109660259B CN 201811531891 A CN201811531891 A CN 201811531891A CN 109660259 B CN109660259 B CN 109660259B
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Abstract

本发明公开恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器及其开关方法，采用上极板采样，比较器正负输入端电容阵列采用电容拆分结构，通过预置参考电压序列，引入负开关能量，降低数字逻辑电路的设计复杂度和整体功耗。本发明能大幅度降低成本，具有很好的经济效益。本发明能大幅度降低成本，具有很好的经济效益。

Description

恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器及其开关方法
技术领域
本发明涉及模数混合信号集成电路领域，尤其涉及恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器及其开关方法。
背景技术
转换生物医学信号(如心电图，脑电图等)需要超低功耗、中等精度和低采样率电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器。该电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器的功耗主要在于比较器、电容阵列构成的数模转换器、数字控制电路和漏电流。比较器采用动态结构，数字控制电路受益于先进的CMOS工艺。并且电容阵列在电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器中所占面积和能耗都很大，所以需要降低电容阵列开关能耗，减少电容阵列面积，降低芯片制作成本，提高经济效益。
发明内容
本发明的目的在于提供恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器及其开关方法，在同等精度下，与10位传统结构相比，电容面积减少了87.5％，开关过程中产生的功耗减少了 98％。
本发明采用的技术方案是：
逐次逼近型模数转换器，其包括依次连接的电容阵列、比较器和控制逻辑电路，其中电容阵列包括连接到比较器正输入端的电容拆分结构的正向电容阵列和连接到比较器负输入端的电容拆分结构的反向电容阵列，比较器的输出端连接控制逻辑电路的输入端，正向电容阵列和反向电容阵列均采用电容拆分结构，且均包括MSB部分和LSB部分，MSB部分和LSB部分完全一致，均为二进制权重电容阵列；
MSB部分和LSB部分包括N-3个高位电容、一个LSB电容和一个dummy电容，N-3个高位电容的容值依次降权，其中最高权重的高位电容的容值为2N-4C，N为模数转换器的精度且N为大于4的整数
其中正向电容阵列上极板通过采样开关SP与正输入端电压VINP相连，下极板通过选择开关与VREF、VCM和gnd相连接；反向电容阵列上极板通过采样开关SN与负输入端电压VINN相连，下极板通过选择开关与VREF、VCM和gnd相连接，VREF为基准电压，VCM为共模电压。
进一步地，模数转换器的LSB电容和dummy电容均为单位电容，模数转换器总共包括2N-1个单位电容，N为模数转换器的精度。
本发明进一步公开了恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器的开关方法，采用所述的恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器，开关方法包括以下步骤；
步骤1，采样阶段：正输入电压VINP通过采样开关SP的导通连接到正向电容阵列的上极板，正向电容阵列中MSB部分的电容阵列所有下极板连接到gnd，LSB部分的电容阵列所有下极板连接到VREF；负输入电压VINN通过采样开关SN的导通连接到反向电容阵列的上极板，反向电容阵列中MSB部分的电容阵列所有下极板连接到gnd，LSB部分的电容阵列所有下极板连接到VREF；
步骤2，构建每次计较的数字码DM的计算公式，M表示当前的比较序号，则针对具体的第 M次的数字码，DM计算公式如下：
当VINP-VINN大于
Figure BDA0001905867230000021
时，DM＝1；
当M≥2且
Figure BDA0001905867230000022
时，其中m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure BDA0001905867230000023
当VINP-VINN小于或等于
Figure BDA0001905867230000024
时，DM＝0；
步骤3，进行第一次比较：采样开关SP、SN断开，开始第一次比较获取数字码D1；即当VINP大于VINN时，数字码D1＝1；当VINP小于等于VINN时，数字码D1＝0；
当D1＝1，则正向电容阵列的LSB部分的所有电容的下极板和反向电容阵列的MSB部分的对应电容的下极板连接到一起，正向电容阵列的电容下极板与反向电容阵列电容的连接处电压即为输入信号共模电压VCM，即当D1＝1时正向电容阵列的LSB部分的所有电容的下极板由 VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/4；反向电容阵列的MSB部分所有电容的下极板由gnd切换到VCM，比较器负输入端电压增加VREF/4；反之D1＝0，正向电容阵列中MSB部分所有电容的下极板由gnd切换到VCM，比较器正输入端电压增加VREF/4；反向电容阵列中所有 LSB电容的下极板由VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少VREF/4；
步骤4，依次进行第二次至第N-2次比较，N为模数转换器的精度：
每次计较时先通过DM计算公式计算该次比较的数字码DM；再确定该次比较对应的权重电容，其中第二次比较对应的权重电容为正向电容阵列和反向电容阵列的最大权重的高位电容，随着比较次数的增加该次比较对应的电容的权重依次降低，第N-2次比较对应权重电容为正向电容阵列和反向电容阵列的LSB电容；
则该次比较对应的转换器开关切换关系如下：
当VINP-VINN大于
Figure BDA0001905867230000025
时，DM＝1；则正向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的高位电容下极板由VCM切换到gnd，反向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的高位电容下极板连接发生变化，从VCM切换到VREF；
当
Figure BDA0001905867230000031
m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure BDA0001905867230000032
对应的开关切换如下：
当D1＝1且DM＝1，则正向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到gnd，反向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板连接发生变化，从VCM切换到VREF；
当D1＝1且DM＝0，则正向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由 gnd切换到VCM，反向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM；
当D1＝0且DM＝1，则正向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VREF切换到VCM，反向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由gnd切换到 VCM；
当D1＝0且DM＝0，则正向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到VREF，反向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VREF切换到VCM；
当VINP-VINN小于或等于
Figure BDA0001905867230000033
时，DM＝0；则正向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到VREF，反向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到gnd；
步骤5，进行第N-1次比较，采用DM计算公式获得第N-1次比较的数字码DN-1的值；则第 N-1次比较时转换器开关切换关系如下：
若D1＝1且DN-1＝1，则正向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VCM切换到gnd，比较器正输入端电压减少了VREF/2N-1，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
若D1＝1且DN-1＝0，则正向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/2N-1，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
若D1＝0且DN-1＝1，则反向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少了VREF/2N-1，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
若D1＝0且DN-1＝0，则反向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VCM切换到gnd，比较器负输入端电压减少了VREF/2N-1，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
步骤6，进行第N次比较，采用DM计算公式计算获得第N次比较的数字码DN并输出，结束转换。
本发明采用以上技术方案，采用上极板采样，比较器正负输入端电容阵列采用电容拆分结构，通过预置参考电压序列，引入负开关能量，降低数字逻辑电路的设计复杂度和整体功耗。本发明能大幅度降低成本，具有很好的经济效益。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明的实施例N位逐次逼近型模数转换器结构；
图2为本发明的实施例4位逐次逼近型模数转换器采样工作原理；
图3为本发明的实施例4位逐次逼近型模数转换器开关切换工作原理(D1D2＝11)；
图4为本发明的实施例4位逐次逼近型模数转换器开关切换工作原理(D1D2＝10)；
图5为本发明的实施例4位逐次逼近型模数转换器开关切换工作原理(D1D2＝01)；
图6为本发明的实施例4位逐次逼近型模数转换器开关切换工作原理(D1D2＝00)；
图7为本发明的实施例10位逐次逼近型模数转换器转换过程中开关功耗随输出码变化的MATLAB仿真结果；
图8为本发明的实施例10位逐次逼近型模数转换器转换过程中DAC电压变化情况；
图9为本发明的实施例10位逐次逼近型模数转换器转换过程中DAC电压变化情况。
具体实施方式
如图1所示，以N位逐次逼近型模数转换器为例，包括采样开关、比较器、SAR控制逻辑电路和电容阵列。电容阵列包括两部分：一是与比较器正输入端相连接的电容阵列，称为正向电容阵列，MSB部分和LSB部分由二进制权重电容阵列构成，且完全一致；二是与比较器负输入端相连接的电容阵列，称为反向电容阵列，与正向电容阵列完全一致；对于N位精度模数转换器，整体电容阵列包括2N-1个单位电容。如图1所示，当N＝4时，最大电容为C。
采样阶段：
如图2所示，采样开关SP、SN导通，输入信号VINP、VINN分别采样到正向电容阵列和反向电容阵列的上极板，与此同时正向电容阵列中的MSB部分中的所有电容下极板连接到gnd，LSB 部分中的所有电容下极板连接到VREF，VREF为基准电压，VCM为共模电压；反向电容阵列中电容下极板连接方式和正向电容阵列中电容下极板连接方式相同。
比较阶段：
采样结束后，采样开关SP、SN打开，电容上极板断开与输入信号的连接，该过程消耗的开关能量为0。
如图3所示，当(VINP-VINN)大于VREF/2时，即D1D2＝11；正向电容阵列中LSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到gnd，比较器正输入端电压减少了VREF/8，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从 VCM切换到VREF，比较器负输入端电压增加了VREF/8；如果D1D2D3＝111，则(VINP-VINN)大于(3/4)VREF，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到gnd，比较器正输入端电压减少了VREF/8，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；如果D1D2D3＝110，则(VINP-VINN)大于(1/2)VREF且小于等于(3/4)VREF，则负向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少VREF/8，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；经过第四次比较得到D4；
如图4所示，当(VINP-VINN)大于0且小于等于VREF/2时，即D1D2＝10；正向电容阵列中MSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到VCM，比较器正输入端电压增加了VREF/8，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少了VREF/8；如果D1D2D3＝101，则(VINP- VINN)大于(1/4)VREF小于等于VREF/2时，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到gnd，比较器正输入端电压减少了VREF/8，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；如果D1D2D3＝100，则(VINP-VINN)大于(1/4)VREF且小于等于0，则负向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少VREF/8，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；经过第四次比较得到D4；
如图5所示，当(VINP-VINN)大于-VREF/2且小于等于0时，即D1D2＝01；正向电容阵列中LSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/8，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到VCM，比较器负输入端电压增加了VREF/8；如果D1D2D3＝011，则(VINP -VINN)大于(-1/4)VREF小于等于0时，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容) 下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/8，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；如果D1D2D3＝010，则(VINP-VINN)大于(-1/2)VREF且小于等于 (-1/4)VREF，则负向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到gnd，比较器负输入端电压减少VREF/8，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；经过第四次比较得到D4；
如图6所示，当(VINP-VINN)小于等于(-1/2)VREF时，即D1D2＝00；正向电容阵列中 MSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到VREF，比较器正输入端电压增加了VREF/8，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(最大权重电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到gnd，比较器负输入端电压减少了VREF/8；如果D1D2D3＝001，则(VINP-VINN) 大于(-3/4)VREF小于等于(-1/2)VREF时，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/8，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；如果D1D2D3＝000，则(VINP-VINN)小于等于(-3/4)VREF，则负向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从VCM切换到gnd，比较器负输入端电压减少VREF/8，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；经过第四次比较得到D4；
如图7所示，以10位逐次逼近型模数转换器为例，其在转换过程中开关能耗随数字输出码变化的MATLAB仿真结果图。本发明所提出的开关算法平均能耗为-10.67CVREF 2，与传统结构相比，节省了100.78％；如果考虑到负能量(物理上不存在，意味着电容放电，把能量返还给参考电压源)，把这部分能量计算为0，则平均能耗为21.33CVREF 2，与传统结构相比，节省了98.44％，具备很好的经济效益。
如图8和图9所示，以10位逐次逼近型模数转换器为例，其在转换过程中DAC电压和共模电压的变化情况。除了最后一次位转换周期，其余的位转换周期共模电压恒定，为VCM。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器的开关方法，逐次逼近型模数转换器包括依次连接的电容阵列、比较器和控制逻辑电路，其中电容阵列包括连接到比较器正输入端的电容拆分结构的正向电容阵列和连接到比较器负输入端的电容拆分结构的反向电容阵列，比较器的输出端连接控制逻辑电路的输入端，正向电容阵列和反向电容阵列均采用电容拆分结构，且均包括MSB部分和LSB部分，MSB部分和LSB部分完全一致，均为二进制权重电容阵列；MSB部分和LSB部分包括N-3个高位电容、一个LSB电容和一个dummy电容，N-3个高位电容的容值依次降权，其中最高权重的高位电容的容值为2N-4C，N为模数转换器的精度且N为大于4的整数；
其中正向电容阵列上极板通过采样开关SP与正输入端电压VINP相连，下极板通过选择开关与VREF、VCM和gnd相连接；反向电容阵列上极板通过采样开关SN与负输入端电压VINN相连，下极板通过选择开关与VREF、VCM和gnd相连接,VREF为基准电压，VCM为共模电压；其特征在于：开关方法包括以下步骤；
步骤1，采样阶段：正输入电压VINP通过采样开关SP的导通连接到正向电容阵列的上极板，正向电容阵列中MSB部分的电容阵列所有下极板连接到gnd，LSB部分的电容阵列所有下极板连接到VREF；负输入电压VINN通过采样开关SN的导通连接到反向电容阵列的上极板，反向电容阵列中MSB部分的电容阵列所有下极板连接到gnd，LSB部分的电容阵列所有下极板连接到VREF；
步骤2，构建每次比 较的数字码DM的计算公式，M表示当前的比较序号，则针对具体的第M次的数字码，DM计算公式如下：
当VINP-VINN大于
Figure FDA0003782063630000011
时，DM＝1；
当M≥2且
Figure FDA0003782063630000012
时，其中m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure FDA0003782063630000013
当VINP-VINN小于或等于
Figure FDA0003782063630000014
时，DM＝0；
步骤3，进行第一次比较：采样开关SP、SN断开，开始第一次比较获取数字码D1；即当VINP大于VINN时，数字码D1＝1；当VINP小于等于VINN时，数字码D1＝0；
当D1＝1，则正向电容阵列的LSB部分的所有电容的下极板和反向电容阵列的MSB部分的对应电容的下极板连接到一起，正向电容阵列的电容下极板与反向电容阵列电容的连接处电压即为输入信号共模电压VCM且VCM＝VREF/2，即当D1＝1时正向电容阵列的LSB部分的所有电容的下极板由VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/4；反向电容阵列的MSB部分所有电容的下极板由gnd切换到VCM，比较器负输入端电压增加VREF/4；反之D1＝0，正向电容阵列中MSB 部分所有电容的下极板由gnd切换到VCM，比较器正输入端电压增加VREF/4；反向电容阵列中所有LSB电容的下极板由VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少VREF/4；
步骤4，依次进行第二次至第N-2次比较，N为模数转换器的精度：
每次比 较时先通过DM计算公式计算该次比较的数字码DM；再确定该次比较对应的权重电容，其中第二次比较对应的权重电容为正向电容阵列和反向电容阵列的最大权重的高位电容，随着比较次数的增加该次比较对应的电容的权重依次降低，第N-2次比较对应权重电容为正向电容阵列和反向电容阵列的LSB电容；
则该次比较对应的转换器开关切换关系如下：
当VINP-VINN大于
Figure FDA0003782063630000021
时，DM＝1；则正向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的高位电容下极板由VCM切换到gnd，反向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的高位电容下极板连接发生变化，从VCM切换到VREF；
当
Figure FDA0003782063630000022
m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure FDA0003782063630000023
对应的开关切换如下：
当D1＝1且DM＝1，则正向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到gnd，反向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板连接发生变化，从VCM切换到VREF；
当D1＝1且DM＝0，则正向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由gnd切换到VCM，反向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板连接发生变化，从VREF切换到VCM；
当D1＝0且DM＝1，则正向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VREF切换到VCM，反向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由gnd切换到VCM；
当D1＝0且DM＝0，则正向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到VREF，反向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VREF切换到VCM；当VINP-VINN小于或等于
Figure FDA0003782063630000024
时，DM＝0；则正向电容阵列中MSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到VREF，反向电容阵列中LSB部分中与该次比较相对应权重的电容下极板由VCM切换到gnd；
步骤5，进行第N-1次比较，采用DM计算公式获得第N-1次比较的数字码DN-1的值；则第N-1次比较时转换器开关切换关系如下：
若D1＝1且DN-1＝1，则正向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VCM切换到gnd，比较器正输入端电压减少了VREF/2N-1，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
若D1＝1且DN-1＝0，则正向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VREF切换到VCM，比较器正输入端电压减少了VREF/2N-1，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
若D1＝0且DN-1＝1，则反向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VREF切换到VCM，比较器负输入端电压减少了VREF/2N-1，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
若D1＝0且DN-1＝0，则反向电容阵列中LSB部分中的dummy电容下极板由VCM切换到gnd，比较器负输入端电压减少了VREF/2N-1，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变；
步骤6，进行第N次比较，采用DM计算公式计算获得第N次比较的数字码DN并输出。
2.根据权利要求1所述的恒定输出共模电压的逐次逼近型模数转换器的开关方法，其特征在于：模数转换器的LSB电容和dummy电容均为单位电容，模数转换器总共包括2N-1个单位电容，N为模数转换器的精度。
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