CN109768800B - 一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器，包括：比较器、第一控制逻辑单元、第二控制逻辑单元、自举开关K1、自举开关K2、第一电容组、第二电容组、第三电容组、第四电容组和参考电压端。本发明通过将第二电容组和第四电容组在第一次切换完成后接入比较器两端，使得第一次切换过程不产生任何功耗，并且使电压完成再分配，完成其余位数的切换过程，减小了功耗，而且本发明采用二进制结构电容，桥接电容为单位电容，避免了桥接电容为分数电容时的问题，以电源电压Vref，共模电压Vcm和地电压GND三种电位所实现开关时序，从而进一步降低电容数量，提高了精度，实现了相对于传统时序99％以上的时序功耗缩减。

Description

一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器

技术领域

本发明属于数模混合集成电路设计领域，具体涉及一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器。

背景技术

逐次逼近型模数转换器(SAR ADC，successive approximation register Analogto Digital)，是在每一次转换过程中，通过遍历所有的量化值并将其转化为模拟值，将输入信号与其逐一比较，最终得到要输出的数字信号。由于逐次逼近型模数转换器的结构简单，功耗低等优点，因此，逐次逼近型模数转换器在可穿戴设备和医疗器械等低功耗需求领域被广泛采用。

目前，以电荷再分配为基础的电容阵列广泛应用于SAR ADC中，因为它们不仅可以避免消耗静态电流，而且可以提供高精度，并且与现代CMOS工艺兼容。随着工艺的发展，晶体管电路所消耗的功耗越来越低，相比之下，电容阵列的采样和切换却成为了逐次逼近型模数转换器功耗的主要来源之一，传统的逐次逼近型模数转换器会产生较大的功耗，而且使用的电容数量也过于多，会占用很大的芯片面积，而近些年对逐次逼近型模数转换器的采样电容阵列的绝大部分研究也仅仅是针对低功耗，电容数量较多，导致芯片的成本增大等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器，包括：比较器、第一控制逻辑单元、第二控制逻辑单元、自举开关K1、自举开关K2、第一电容组、第二电容组、第三电容组、第四电容组和参考电压端；其中，

所述第一电容组分别连接所述比较器的正向输入端和所述参考电压端；

所述第二电容组连接所述比较器的正向输入端或所述参考电压端；

所述第三电容组分别连接所述比较器的反向输入端和所述参考电压端；

所述第四电容组连接所述比较器的反向输入端或所述参考电压端；

所述自举开关K1连接所述比较器的正向输入端；

所述自举开关K2连接所述比较器的反响输入端；

所述比较器的输出端分别连接所述第一控制逻辑单元和所述第二控制逻辑单元；

所述第一逻辑控制单元分别连接所述自举开关K1、所述第一电容组和所述第二电容组；

所述第二逻辑控制单元分别连接所述自举开关K2、所述第三电容组和所述第四电容组。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容组包括第一电容阵列和第一开关组；

所述第一电容阵列的上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述第一电容阵列的下极板通过所述第一开关组连接所述参考电压端；

所述第二电容组包括第二电容阵列和第二开关组；

所述第二电容阵列的上极板相互连接；

所述第二电容阵列的下极板通过所述第二开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

所述第三电容组包括第三电容阵列和第三开关组；

所述第三电容阵列的上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述第三电容阵列的下极板通过所述第三开关组连接所述参考电压端；

所述第四电容组包括第四电容阵列和第四开关组；

所述第四电容阵列的上极板相互连接；

所述第四电容阵列的下极板通过所述第四开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容阵列包括：电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃和电容单元C₁₄；

所述第一开关组包括：开关K₁₀、开关K₁₁、开关K₁₂、开关K₁₃和开关单元K₁₄；其中，

所述电容C₁₁、所述电容C₁₂和所述电容C₁₃为二进制结构电容，所述电容C₁₀为冗余电容；

所述电容C_1i的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容C_1i的下极板通过所述开关K_1i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数；

所述电容单元C₁₄上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述电容单元C₁₄下极板通过所述开关单元K₁₄连接所述参考电压端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元C₁₄包括：电容C₁₄₁、电容C₁₄₂、电容C₁₄₃和电容C₁₄₄；

所述开关单元K₁₄包括：开关K₁₄₁、开关K₁₄₂、开关K₁₄₃和开关K₁₄₄；其中，

所述电容C_14j的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容C_14j的下极板通过所述开关K_14j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

在本发明的一个实施例中，所述第二电容阵列包括：电容C₂₀、电容C₂₁、电容C₂₂、电容C₂₃和电容单元C₂₄；

所述第二开关组包括：开关K₂₀、开关K₂₁、开关K₂₂、开关K₂₃和开关单元K₂₄；其中，

所述电容C₂₁、所述电容C₂₂和所述电容C₂₃为二进制结构电容，所述电容C₂₀为桥接电容；

所述电容C₂₀、所述电容C₂₁、所述电容C₂₂、所述电容C₂₃和所述电容单元C₂₄的上极板相互连接；

所述电容C₂₁、所述电容C₂₂、所述电容C₂₃和所述电容单元C₂₄的下极板分别依次通过所述开关K₂₁、所述开关K₂₂、所述开关K₂₃和所述开关单元K₂₄连接所述参考电压端；

所述电容C₂₀下极板通过所述开关K₂₀连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元C₂₄包括：电容C₂₄₁、电容C₂₄₂、电容C₂₄₃和电容C₂₄₄；

所述开关单元K₂₄包括：开关K₂₄₁、开关K₂₄₂、开关K₂₄₃和开关K₂₄₄；其中，

所述电容C_24j的上极板相互连接，所述电容C_24j的下极板通过所述开关K_24j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

在本发明的一个实施例中，所述第三电容阵列包括：电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃和电容单元C₃₄；

所述第三开关组包括：开关K₃₀、开关K₃₁、开关K₃₂开关K₃₃和开关单元K₃₄；其中，

所述电容C₃₁、所述电容C₃₂和所述电容C₃₃为二进制结构电容，所述电容C₃₀为冗余电容；

所述电容C_3i的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容C_3i的下极板通过所述开关K_3i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数；

所述电容单元C₃₄上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述电容单元C₃₄下极板通过所述开关单元K₃₄连接所述参考电压端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元C₃₄包括：电容C₃₄₁、电容C₃₄₂、电容C₃₄₃和电容C₃₄₄；

所述开关单元K₃₄包括：开关K₃₄₁、开关K₃₄₂、开关K₃₄₃和开关K₃₄₄；其中，

所述电容C_34j的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容C_34j的下极板通过所述开关K_34j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

在本发明的一个实施例中，所述第四电容阵列包括：电容C₄₀、电容C₄₁、电容C₄₂、电容C₄₃和电容单元C₄₄；

所述第四开关组包括：开关K₄₀、开关K₄₁、开关K₄₂、开关K₄₃和开关单元K₄₄；其中，

所述电容C₄₁、所述电容C₄₂和所述电容C₄₃为二进制结构电容，所述电容C₄₀为桥接电容；

所述电容C₄₀、所述电容C₄₁、所述电容C₄₂、所述电容C₄₃和所述电容单元C₄₄的上极板相互连接；

所述电容C₄₁、所述电容C₄₂、所述电容C₄₃和所述电容单元C₄₄的下极板分别依次通过所述开关K₄₁、所述开关K₄₂、所述开关K₄₃和所述开关单元K₄₄连接所述参考电压端；

所述电容C₄₀下极板通过所述开关K₄₀连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

在本发明的一个实施例中，所述电容单元C₄₄包括：电容C₄₄₁、电容C₄₄₂、电容C₄₄₃和电容C₄₄₄；

所述开关单元K₄₄包括：开关K₄₄₁、开关K₄₄₂、开关K₄₄₃和开关K₄₄₄；其中，

所述电容C_44j的上极板相互连接，所述电容C_44j的下极板通过所述开关K_44j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的基于电荷再分配的超低功耗SAR ADC，通过将第二电容阵列和第四电容阵列在第一次切换完成后接入比较器两端，使得第一次切换过程不产生任何功耗，并且使电压完成再分配，完成其余位数的切换过程，减小了功耗。本发明采用二进制结构电容，且桥接电容为单位电容，避免了桥接电容为分数电容时的问题，很大程度上降低功耗。以电源电压Vref，共模电压Vcm和地电压GND三种电位所实现开关时序，从而进一步降低电容数量，提高了精度，实现了相对于传统时序99％以上的时序功耗缩减。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器的结构示意图；

图2为本发明提供的第一阶段VIP>VIN时的开关时序电路原理示意图；

图3为本发明提供的第二阶段第二位为1时的开关时序电路原理示意图；

图4为图3中的B部分原理示意图；

图5为图3中的C部分原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1至图5，图1为本发明提供的一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器的结构示意图；图2为本发明提供的第一阶段VIP>VIN时的开关时序电路原理示意图；图3为本发明提供的第二阶段第二位为1时的开关时序电路原理示意图；图4为图3中的B部分原理示意图；图5为图3中的C部分原理示意图。本发明提供了一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器，如图1所示，包括：比较器、第一控制逻辑单元、第二控制逻辑单元、自举开关K1、自举开关K2、第一电容组、第二电容组、第三电容组、第四电容组和参考电压端；其中，

所述第一电容组分别连接所述比较器的正向输入端和所述参考电压端；

所述第二电容组连接所述比较器的正向输入端或所述参考电压端；

所述第三电容组分别连接所述比较器的反向输入端和所述参考电压端；

所述第四电容组连接所述比较器的反向输入端或所述参考电压端；

所述自举开关K1连接所述比较器的正向输入端；

所述自举开关K2连接所述比较器的反响输入端；

所述比较器的输出端分别连接所述第一控制逻辑单元和所述第二控制逻辑单元；

所述第一逻辑控制单元分别连接所述自举开关K1、所述第一电容组和所述第二电容组；

所述第二逻辑控制单元分别连接所述自举开关K2、所述第三电容组和所述第四电容组。

进一步地，所述参考电压端包括：电源电压Vref、共模电压Vcm和地电压GND。

具体地，采样信号Vip通过自举开关K1输入该SAR ADC，采样信息号Vin通过自举开关K2输入该SAR ADC。第一控制逻辑单元控制自举开关K1的关断和导通，第二控制逻辑单元控制自举开关K2的打开和导通，从而控制采样信号Vip和Vin的输入。

进一步地，所述第一电容组包括第一电容阵列和第一开关组；

所述第一电容阵列的上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述第一电容阵列的下极板通过所述第一开关组连接所述参考电压端；

所述第二电容组包括第二电容阵列和第二开关组；

所述第二电容阵列的上极板相互连接；

所述第二电容阵列的下极板通过所述第二开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

所述第三电容组包括第三电容阵列和第三开关组；

所述第三电容阵列的上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述第三电容阵列的下极板通过所述第三开关组连接所述参考电压端；

所述第四电容组包括第四电容阵列和第四开关组；

所述第四电容阵列的上极板相互连接；

所述第四电容阵列的下极板通过所述第四开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

进一步地，第一控制逻辑单元用于控制第一开关组、第二开关组、第三开关组和第四开关组的打开和导通。

进一步地，所述第一电容阵列包括：电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃和电容单元C₁₄；

所述第一开关组包括：开关K₁₀、开关K₁₁、开关K₁₂、开关K₁₃和开关单元K₁₄；其中，

所述电容C₁₁、所述电容C₁₂和所述电容C₁₃为二进制结构电容，所述电容C₁₀为冗余电容；

所述电容C_1i的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容C_1i的下极板通过所述开关K_1i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数，即电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃的上极板连接比较器的正向输入端，电容C₁₀通过开关K₁₀连接参考电压端，电容C₁₁通过开关K₁₁连接的参考电压端，电容C₁₂通过开关K₁₂连接参考电压端，电容C₁₃通过开关K₁₃连接参考电压端；

所述电容单元C₁₄上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述电容单元C₁₄下极板通过所述开关单元K₁₄连接所述参考电压端。

进一步地，所述电容单元C₁₄包括：电容C₁₄₁、电容C₁₄₂、电容C₁₄₃和电容C₁₄₄；

所述开关单元K₁₄包括：开关K₁₄₁、开关K₁₄₂、开关K₁₄₃和开关K₁₄₄；其中，

所述电容C_14j的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容C_14j的下极板通过所述开关K_14j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容C₁₄₁、电容C₁₄₂、电容C₁₄₃和电容C₁₄₄分别依次通过开关K₁₄₁、开关K₁₄₂、开关K₁₄₃和开关K₁₄₄连接至参考电压端。

具体地，电容C₁₀为单位电容，容值为C。电容单元C₁₄的容值为第一电容阵列其余电容的容值总和，即电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃的容值的和等于电容单元C₁₄的容值；其中，电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃和电容单元C₁₄的容值分别为：C、C、2C、4C、8C。

具体地，最高位的电容单元C₁₄采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元C₁₄拆分成为与第一电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元C₁₄拆分为电容C₁₄₁、电容C₁₄₂、电容C₁₄₃和电容C₁₄₄，且结构与电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃的结构一致；优选的，电容C₁₄₁、电容C₁₄₂、电容C₁₄₃和电容C₁₄₄的容值分别为C、C、2C、4C。

进一步地，所述第二电容阵列包括：电容C₂₀、电容C₂₁、电容C₂₂、电容C₂₃和电容单元C₂₄；

所述第二开关组包括：开关K₂₀、开关K₂₁、开关K₂₂、开关K₂₃和开关单元K₂₄；其中，

所述电容C₂₁、所述电容C₂₂和所述电容C₂₃为二进制结构电容，所述电容C₂₀为桥接电容；

所述电容C₂₀、所述电容C₂₁、所述电容C₂₂、所述电容C₂₃和所述电容单元C₂₄的上极板相互连接；

所述电容C₂₁、所述电容C₂₂、所述电容C₂₃和所述电容单元C₂₄的下极板分别依次通过所述开关K₂₁、所述开关K₂₂、所述开关K₂₃和所述开关单元K₂₄连接所述参考电压端；

所述电容C₂₀下极板通过所述开关K₂₀连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

具体地，第二电容阵列通过桥接电容C₂₀的下极板连接到比较器上。

进一步地，所述电容单元C₂₄包括：电容C₂₄₁、电容C₂₄₂、电容C₂₄₃和电容C₂₄₄；

所述开关单元K₂₄包括：开关K₂₄₁、开关K₂₄₂、开关K₂₄₃和开关K₂₄₄；其中，

所述电容C_24j的上极板相互连接，所述电容C_24j的下极板通过所述开关K_24j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容C₂₄₁、电容C₂₄₂、电容C₂₄₃和电容C₂₄₄分别依次通过开关K₂₄₁、开关K₂₄₂、开关K₂₄₃和开关K₂₄₄连接至参考电压端。

具体地，电容C₂₀为单位电容，容值为C。电容单元C₂₄的容值为第二电容阵列其余电容容值总和，即电容C₂₀、电容C₂₁、电容C₂₂、电容C₂₃的容值的和等于电容单元C₂₄的容值；其中，电容C20、电容C₂₁、电容C₂₂、电容C₂₃和电容单元C₂₄的容值分别为：C、C、2C、4C、8C。

具体地，最高位的电容单元C₂₄采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元C₂₄拆分成为与第二电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元C₂₄拆分为电容C₂₄₁、电容C₂₄₂、电容C₂₄₃和电容C₂₄₄，且结构与电容C₂₀、电容C₂₁、电容C₂₂、电容C₂₃的结构一致；优选的，电容C₂₄₁、电容C₂₄₂、电容C₂₄₃和电容C₂₄₄的容值分别为C、C、2C、4C。

进一步地，所述第三电容阵列包括：电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃和电容单元C₃₄；

所述第三开关组包括：开关K₃₀、开关K₃₁、开关K₃₂开关K₃₃和开关单元K₃₄；其中，

所述电容C₃₁、所述电容C₃₂和所述电容C₃₃为二进制结构电容，所述电容C₃₀为冗余电容；

所述电容C_3i的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容C_3i的下极板通过所述开关K_3i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数，即电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃的上极板连接比较器的反向输入端，电容C₃₀通过开关K₃₀连接参考电压端，电容C₃₁通过开关K₃₁连接的参考电压端，电容C₃₂通过开关K₃₂连接参考电压端，电容C₃₃通过开关K₃₃连接参考电压端；

所述电容单元C₃₄上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述电容单元C₃₄下极板通过所述开关单元K₃₄连接所述参考电压端。

进一步地，所述电容单元C₃₄包括：电容C₃₄₁、电容C₃₄₂、电容C₃₄₃和电容C₃₄₄；

所述开关单元K₃₄包括：开关K₃₄₁、开关K₃₄₂、开关K₃₄₃和开关K₃₄₄；其中，

所述电容C_34j的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容C_34j的下极板通过所述开关K_34j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容C₃₄₁、电容C₃₄₂、电容C₃₄₃和电容C₃₄₄分别依次通过开关K₃₄₁、开关K₃₄₂、开关K₃₄₃和开关K₃₄₄连接至参考电压端。

具体地，电容C₃₀为单位电容，容值为C。电容单元C₃₄的容值为第三电容阵列其余电容的容值总和，即电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃的容值的和等于电容单元C₃₄的容值；其中，电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃和电容单元C₃₄的容值分别为：C、C、2C、4C、8C。

具体地，最高位的电容单元C₃₄采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元C₃₄拆分成为与第三电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元C₃₄拆分为电容C₃₄₁、电容C₃₄₂、电容C₃₄₃和电容C₃₄₄，且结构与电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃的结构一致；优选的，电容C₃₄₁、电容C₃₄₂、电容C₃₄₃和电容C₃₄₄的容值分别为C、C、2C、4C。

进一步地，所述第四电容阵列包括：电容C₄₀、电容C₄₁、电容C₄₂、电容C₄₃和电容单元C₄₄；

所述第四开关组包括：开关K₄₀、开关K₄₁、开关K₄₂、开关K₄₃和开关单元K₄₄；其中，

所述电容C₄₁、所述电容C₄₂和所述电容C₄₃为二进制结构电容，所述电容C₄₀为桥接电容；

所述电容C₄₀、所述电容C₄₁、所述电容C₄₂、所述电容C₄₃和所述电容单元C₄₄的上极板相互连接；

所述电容C₄₁、所述电容C₄₂、所述电容C₄₃和所述电容单元C₄₄的下极板分别依次通过所述开关K₄₁、所述开关K₄₂、所述开关K₄₃和所述开关单元K₄₄连接所述参考电压端；

所述电容C₄₀下极板通过所述开关K₄₀连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

具体地，第四电容阵列通过桥接电容C₄₀的下极板连接到比较器上。

进一步地，所述电容单元C₄₄包括：电容C₄₄₁、电容C₄₄₂、电容C₄₄₃和电容C₄₄₄；

所述开关单元K₄₄包括：开关K₄₄₁、开关K₄₄₂、开关K₄₄₃和开关K₄₄₄；其中，

所述电容C_44j的上极板相互连接，所述电容C_44j的下极板通过所述开关K_44j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数，即电容C₄₄₁、电容C₄₄₂、电容C₄₄₃和电容C₄₄₄分别依次通过开关K₄₄₁、开关K₄₄₂、开关K₄₄₃和开关K₄₄₄连接至参考电压端。

具体地，电容C₄₀为单位电容，容值为C。电容单元C₄₄的容值为第二电容阵列其余电容容值总和，即电容C₄₀、电容C₄₁、电容C₄₂、电容C₄₃的容值的和等于电容单元C₄₄的容值；其中，电容C₄₀、电容C₄₁、电容C₄₂、电容C₄₃和电容单元C₄₄的容值分别为：C、C、2C、4C、8C。

具体地，最高位的电容单元C₄₄采用拆分最高位电容的办法，将最高位的电容单元C₄₄拆分成为与第四电容阵列剩余电容一致的结构。即将电容单元C₄₄拆分为电容C₄₄₁、电容C₄₄₂、电容C₄₄₃和电容C₄₄₄，且结构与电容C₄₀、电容C₄₁、电容C₄₂、电容C₄₃的结构一致；优选的，电容C₄₄₁、电容C₄₄₂、电容C₄₄₃和电容C₄₄₄的容值分别为C、C、2C、4C。

具体地，第一电容阵列、第二电容阵列、第三电容这列和第四电容阵列的容值均为16C。

本次时序所用的开关时序具体如下：

采样下，第一组电容阵列和第三电容阵列的最高位(MSB)电容单元C₁₄和C₃₄的下极板接电源电压Vref，第一组电容阵列和第三电容阵列其余电容下极板全部接地电压GND，第一组电容阵列和第三电容阵列的上极板全部连接比较器的正向输入端，通过自举开关K1和自举开关K2输入模拟信号Vip和Vin。第二电容阵列和第四电容阵列中除了桥接电容C₂₀和桥接电容C₄₀的下极板接入地电压GND，其余电容的下极板全部接共模电压Vcm，此时，第二电容阵列和第四电容阵列未直接连接比较器。

采样完成后，直接连接到比较器的第一组电容阵列开始工作，在第一次的比较过程中，比较器可以直接对输入信号Vip和Vin进行比较，第二电容阵列和第四电容阵列由于未连接比较器没有发生任何变化，所以不产生任何功耗，同时也不会对第一组比较产生任何影响。

在第一次比较完成后，根据比较器的比较结果，其中，

若正向输入端电位大于反向输入端电位，则将反向输入端连接的第三电容阵列除最高位拆分电容单元C₃₄的电容全部接电源电压Vref；

若正向输入端电位小于反向输入端电位，则将反向输入端连接的第三电容阵列除最高位拆分电容单元C₃₄的电容全部接地电压GND；

然后，在切换完成后，将桥接电容C₂₀和桥接电容C₄₀的下极板接入比较器上，并完成电压的再分配。接着对分压后的信号进行比较，以后的每次切换过程均在正向输入端完成。

在第二次比较后，根据比较结果，将正向输入端连接的第一电容阵列的最高位拆分电容单元C₁₄由电源电压Vref切换到共模电压Vcm，或者将电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、和电容C₁₃的下极板由地电压GND切换到共模电压Vcm，然后进行下一位的比较。

如果第二位比较结果为1，在进行第三位的切换时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的电容C₁₄₄的下极板由共模电压Vcm切换到地电压GND；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将电容C₁₃的下极板由地电压GND切换到共模电压Vcm。

如果第二位比较结果为0，在进行第三位的切换时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的第一电容阵列中电容C₁₄₄的下极板由电源电压Vref切换到共模电压Vcm；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将电容C₁₃的下极板由共模电压Vcm切换到电源电压Vref。

第四次和第五次切换类似于第三次切换过程，然后进行第六次比较，第六次的切换过程和其后的切换过程均由第二电容阵列完成。

根据第六次的比较结果，其中，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的电容单元C₂₄的下极板由共模电压Vcm切换到地电压GND；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将正向输入端的电容单元C24的下极板由共模电压Vcm切换到电源电压Vref。

之后，进行第七次比较，其中，当第六位的结果为1时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的第二电容阵列中的电容C₂₃的下极板由共模电压Vcm切换到地电压GND；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将正向输入端的电容C₂₄₄的下极板由地电压GND切换到共模电压Vcm。

当第六位的结果为0时，

若正向输入端电压大于反向输入端电压，则将正向输入端的电容C₂₄₄的下极板由电源电压Vref切换到共模电压Vcm；

若正向输入端电压小于反向输入端电压，则将正向输入端的电容C₂₃的下极板由共模电压Vcm切换到电源电压Vref。

之后几次的切换过程和第七次切换过程类似。当10位结果比较完成后则完成此次的模数转换。

本发明实现了以电荷再分配为基础的10位的超低功耗逐次逼近型模数转换器的开关时序。

一个转换周期后得到二进制码，此时数据转换完成，所有电容电压复位到初始值。

图2至图5为本发明的开关时序原理图，其中以5次转换和5次比较为例来说明，如图2为第一次比较正向输入端电位大于反向端电位以及电压再分配的原理图，图3为第二次比较第一电容阵列和第二电容阵列的开关时序原理图，其中以第二位比较结果为1说明，图4至图5为本发明第二次比较第三电容阵列和第四电容阵列的开关时序原理图，其中以2次转换和2次比较为例来说明。

本发明提供的基于电荷再分配的超低功耗SAR ADC，通过将第二电容阵列和第四电容阵列在第一次切换完成后接入比较器两端，使得第一次切换过程不产生任何功耗，并且使电压完成再分配，完成其余位数的切换过程，减小了功耗。本发明采用二进制结构电容，且桥接电容为单位电容，避免了桥接电容为分数电容时的问题，很大程度上降低功耗。以电源电压Vref，共模电压Vcm和地电压GND三种电位所实现开关时序，从而进一步降低电容数量，提高了精度，实现了相对于传统时序99％以上的时序功耗缩减。

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 (9)

1.一种基于电荷再分配的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，包括：比较器、第一控制逻辑单元、第二控制逻辑单元、自举开关K1、自举开关K2、第一电容组、第二电容组、第三电容组、第四电容组和参考电压端；其中，

所述第一电容组分别连接所述比较器的正向输入端和所述参考电压端；

所述第二电容组连接所述比较器的正向输入端或所述参考电压端；

所述第三电容组分别连接所述比较器的反向输入端和所述参考电压端；

所述第四电容组连接所述比较器的反向输入端或所述参考电压端；

所述自举开关K1连接所述比较器的正向输入端；

所述自举开关K2连接所述比较器的反向输入端；

所述比较器的输出端分别连接所述第一控制逻辑单元和所述第二控制逻辑单元；

所述第一控制逻辑单元分别连接所述自举开关K1、所述第一电容组和所述第二电容组；

所述第二控制逻辑单元分别连接所述自举开关K2、所述第三电容组和所述第四电容组；

所述第一电容组包括第一电容阵列和第一开关组；所述第一电容阵列的上极板连接所述比较器的正向输入端；所述第一电容阵列的下极板通过所述第一开关组连接所述参考电压端；

所述第二电容组包括第二电容阵列和第二开关组；所述第二电容阵列的上极板相互连接；所述第二电容阵列的下极板通过所述第二开关组连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端；

所述第三电容组包括第三电容阵列和第三开关组；所述第三电容阵列的上极板连接所述比较器的反向输入端；所述第三电容阵列的下极板通过所述第三开关组连接所述参考电压端；

所述第四电容组包括第四电容阵列和第四开关组；所述第四电容阵列的上极板相互连接；所述第四电容阵列的下极板通过所述第四开关组连接所述参考电压端或所述比较器的反向输入端；

所述第二电容阵列在所述比较器第一次比较完成后接入所述比较器的正向输入端；

所述第四电容阵列在所述比较器第一次比较完成后接入所述比较器的反向输入端。

2.根据权利要求1所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述第一电容阵列包括：电容C₁₀、电容C₁₁、电容C₁₂、电容C₁₃和电容单元C₁₄；

所述第一开关组包括：开关K₁₀、开关K₁₁、开关K₁₂、开关K₁₃和开关单元K₁₄；其中，

所述电容C₁₁、所述电容C₁₂和所述电容C₁₃为二进制结构电容，所述电容C₁₀为冗余电容；

所述电容C_1i的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容C_1i的下极板通过所述开关K_1i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数；

所述电容单元C₁₄上极板连接所述比较器的正向输入端；

所述电容单元C₁₄下极板通过所述开关单元K₁₄连接所述参考电压端。

3.根据权利要求2所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述电容单元C₁₄包括：电容C₁₄₁、电容C₁₄₂、电容C₁₄₃和电容C₁₄₄；

所述开关单元K₁₄包括：开关K₁₄₁、开关K₁₄₂、开关K₁₄₃和开关K₁₄₄；其中，

所述电容C_14j的上极板连接所述比较器的正向输入端，所述电容C_14j的下极板通过所述开关K_14j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

4.根据权利要求1所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述第二电容阵列包括：电容C₂₀、电容C₂₁、电容C₂₂、电容C₂₃和电容单元C₂₄；

所述第二开关组包括：开关K₂₀、开关K₂₁、开关K₂₂、开关K₂₃和开关单元K₂₄；其中，

所述电容C₂₁、所述电容C₂₂和所述电容C₂₃为二进制结构电容，所述电容C₂₀为桥接电容；

所述电容C₂₀、所述电容C₂₁、所述电容C₂₂、所述电容C₂₃和所述电容单元C₂₄的上极板相互连接；

所述电容C₂₁、所述电容C_22、所述电容C₂₃和所述电容单元C₂₄的下极板分别依次通过所述开关K₂₁、所述开关K₂₂、所述开关K₂₃和所述开关单元K₂₄连接所述参考电压端；

所述电容C₂₀下极板通过所述开关K₂₀连接所述参考电压端或所述比较器的正向输入端。

5.根据权利要求4所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述电容单元C₂₄包括：电容C₂₄₁、电容C₂₄₂、电容C₂₄₃和电容C₂₄₄；

所述开关单元K₂₄包括：开关K₂₄₁、开关K₂₄₂、开关K₂₄₃和开关K₂₄₄；其中，

所述电容C_24j的上极板相互连接，所述电容C_24j的下极板通过所述开关K_24j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

6.根据权利要求1所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述第三电容阵列包括：电容C₃₀、电容C₃₁、电容C₃₂、电容C₃₃和电容单元C₃₄；

所述第三开关组包括：开关K₃₀、开关K₃₁、开关K₃₂、开关K₃₃和开关单元K₃₄；其中，

所述电容C₃₁、所述电容C₃₂和所述电容C₃₃为二进制结构电容，所述电容C₃₀为冗余电容；

所述电容C_3i的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容C_3i的下极板通过所述开关K_3i连接所述参考电压端，i为小于等于3的自然数；

所述电容单元C₃₄上极板连接所述比较器的反向输入端；

所述电容单元C₃₄下极板通过所述开关单元K₃₄连接所述参考电压端。

7.根据权利要求6所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述电容单元C₃₄包括：电容C₃₄₁、电容C₃₄₂、电容C₃₄₃和电容C₃₄₄；

所述开关单元K₃₄包括：开关K₃₄₁、开关K₃₄₂、开关K₃₄₃和开关K₃₄₄；其中，

所述电容C_34j的上极板连接所述比较器的反向输入端，所述电容C_34j的下极板通过所述开关K_34j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

8.根据权利要求1所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述第四电容阵列包括：电容C₄₀、电容C₄₁、电容C₄₂、电容C₄₃和电容单元C₄₄；

所述第四开关组包括：开关K₄₀、开关K₄₁、开关K₄₂、开关K₄₃和开关单元K₄₄；其中，

所述电容C₄₁、所述电容C₄₂和所述电容C₄₃为二进制结构电容，所述电容C₄₀为桥接电容；

所述电容C₄₀、所述电容C₄₁、所述电容C₄₂、所述电容C₄₃和所述电容单元C₄₄的上极板相互连接；

所述电容C₄₁、所述电容C_42、所述电容C₄₃和所述电容单元C₄₄的下极板分别依次通过所述开关K₄₁、所述开关K₄₂、所述开关K₄₃和所述开关单元K₄₄连接所述参考电压端；

所述电容C₄₀下极板通过所述开关K₄₀连接所述参考电压端或所述比较器的反向输入端。

9.根据权利要求8所述的超低功耗逐次逼近型模数转换器，其特征在于，所述电容单元C₄₄包括：电容C₄₄₁、电容C₄₄₂、电容C₄₄₃和电容C₄₄₄；

所述开关单元K₄₄包括：开关K₄₄₁、开关K_442、开关K₄₄₃和开关K₄₄₄；其中，

所述电容C_44j的上极板相互连接，所述电容C_44j的下极板通过所述开关K_44j连接所述参考电压端，j为大于等于1，小于等于4的自然数。

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