CN110266312B - 一种应用于sar adc的dac开关方法 - Google Patents

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CN110266312B CN201910460085.4A CN201910460085A CN110266312B CN 110266312 B CN110266312 B CN 110266312B CN 201910460085 A CN201910460085 A CN 201910460085A CN 110266312 B CN110266312 B CN 110266312B
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Abstract

本发明公开一种应用于SAR ADC的DAC开关方法，本发明在最后两次位转换周期中引入等于VREF/4的Vaq，DAC电容面积比传统结构减少了87.5%；通过减少电容面积和高能效的单边双电平开关算法，消耗的开关能量比传统结构减少了98.45%。针对第三个参考电压的精度对SAR ADC的精度影响很大的问题，本发明只在最后两次位转换周期中引入第三个参考电压Vaq，Vaq的不精准对SAR ADC的精度影响很小。本发明提出的开关算法在DAC电容面积、开关能耗以及SAR ADC的精度方面达到了很好的折衷。

Description

一种应用于SAR ADC的DAC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，尤其涉及一种应用于SAR ADC的DAC开关方法。
背景技术
SAR ADC广泛应用于无线传感器网络和生物医学系统中，其功耗主要来自比较器、DAC电容阵列开关切换和SAR控制逻辑电路。其中，DAC电容阵列开关切换消耗的能量在SARADC整体功耗的比重很大。因此，近年来降低DAC电容阵列的开关算法功耗是研究热点。
有文献[1]提出基于Vaq的DAC开关算法，和传统的三电平开关算法相似，不同之处在于充分利用了LSB电容和dummy电容。虽然该算法使得DAC电容的面积比传统结构减少了87.5％，但是功耗却没有随之按比例减少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于SAR ADC的DAC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：
本发明还公开了一种应用于SAR ADC的低有效电容面积、低功耗和高精度的DAC开关方法，其包括以下步骤；
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 BDA0002077787550000011
时，DM＝1；
当M≥2且
Figure BDA0002077787550000012
时，其中m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure BDA0002077787550000013
当VINP-VINN小于或等于
Figure BDA0002077787550000014
时，DM＝0；
步骤3，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；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连接到gnd，；即比较器正输入端电压减少了VREF/2，比较器负输入端电压不变；反之D1＝0，反向电容阵列的LSB部分的所有电容的下极板连接到gnd，即比较器正输入端电压不变，比较器负输入端电压减少了VREF/2；
步骤4，依次进行第二次至第N-3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对应部分(D1＝1时，为LSB部分；D1＝0时，为MSB部分)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，则每次比较对应的转换器开关切换关系如下：
当VINP-VINN大于
Figure BDA0002077787550000021
时，DM＝1；则正向电容阵列的所有电容下极板保持不变；反向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF，其余电容下极板保持不变；
当
Figure BDA0002077787550000022
m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure BDA0002077787550000023
对应的开关切换如下：
当D1＝1且DM＝1，则正向电容阵列的所有电容下极板保持不变；反向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF其余电容下极板保持不变；
当D1＝1且DM＝0，则正向电容阵列的所有电容下极板保持不变；反向电容阵列的LSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由VREF切换为gnd，其余电容下极板保持不变；
当D1＝0且DM＝1，则正向电容阵列的LSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由VREF切换为gnd，其余电容下极板保持不变；反向电容阵列的所有电容下极板保持不变；
当D1＝0且DM＝0，则正向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF，其余电容下极板保持不变；反向电容阵列的所有电容下极板保持不变；
当VINP-VINN小于或等于
Figure BDA0002077787550000024
时，DM＝0；则正向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF，其余电容下极板保持不变；反向电容阵列的所有电容下极板保持不变；
步骤5，进行第N-2次比较，则该次比较对应的转换器开关切换关系如下：
当DN-2＝‘1’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容和dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-2，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-3；
当DN-2＝‘0’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容和dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-2，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器负输入端电压不变；
当DN-2＝‘1’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容和dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-2，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器正输入端电压不变；
当DN-2＝‘0’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容和dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-2，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-3；
步骤6，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：
当DN-1＝‘1’且D1＝‘1’，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Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，即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不发生变化，即比较器负输入端电压不变；
当DN-1＝‘0’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-1，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器负输入端电压不变；
当DN-1＝‘1’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-1，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器正输入端电压不变；
当DN-1＝‘0’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容)下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，即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，即比较器正输入端电压不变；
步骤7，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。
进一步地，本发明还公开了一种采用低有效电容面积、低功耗和高精度DAC开关方法的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；
MSB部分和LSB部分包括N-5个高位电容、一个LSB电容和一个dummy电容，N-5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-5C，N为模数转换器的精度且N为大于或等于5的整数；
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，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，正向电容阵列的下极板除LSB电容和dummy电容外分别通过选择开关与VREF、gnd相连接，正向电容阵列的LSB电容和dummy电容的下极板各自通过选择开关与VREF、Vaq、gnd连接；反向电容阵列的下极板除LSB电容和dummy电容外分别通过选择开关与VREF、gnd相连接，反向电容阵列的LSB电容和dummy电容的下极板各自通过选择开关与VREF、Vaq、gnd连接；VREF基准电压，Vaq为参考电压，Vaq＝VREF/4。
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-2个单位电容，N为模数转换器的精度。
本发明采用以上技术方案，对比现有技术具有如下优点：1.DAC电容面积在SARADC芯片中所占面积过大。本发明在最后两次位转换周期中引入Vaq(等于VREF/4)，DAC电容面积比传统结构减少了87.5％。2.DAC开关算法导致电容充放电消耗能量较多。本发明通过减少电容面积和高能效的单边双电平开关算法，消耗的开关能量比传统结构减少了98.45％。3.第三个参考电压的精度对SAR ADC的精度影响很大。本发明只在最后两次位转换周期中引入第三个参考电压Vaq，Vaq的不精准对SAR ADC的精度影响很小。
本发明提出的开关算法在DAC电容面积、开关能耗以及SAR ADC的精度方面达到了很好的折衷。
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为本发明实施例的N位的电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器的结构示意图；
图2为本发明实施例的5位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的采样阶段的开关切换工作原理图；
图3为本发明实施例的5位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的第一次比较时开关切换工作原理图；
图4为本发明实施例的5位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的D1D2＝11时开关切换工作原理图；
图5为本发明实施例的5位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的D1D2＝10时开关切换工作原理图；
图6为本发明实施例的5位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的D1D2＝01时开关切换工作原理图；
图7为本发明实施例的5位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的D1D2＝00时开关切换工作原理图；
图8为本发明实施例的10位的逐次逼近型模数转换器的DAC开关方法的转换过程中开关功耗随输出码变化的MATLAB仿真结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种采用低有效电容面积、低功耗和高精度DAC开关方法的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；
MSB部分和LSB部分包括N-5个高位电容、一个LSB电容和一个dummy电容，N-5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-5C，N为模数转换器的精度且N为大于或等于5的整数；
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，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，正向电容阵列的下极板除LSB电容和dummy电容外分别通过选择开关与VREF、gnd相连接，正向电容阵列的LSB电容和dummy电容的下极板各自通过选择开关与VREF、Vaq、gnd连接；反向电容阵列的下极板除LSB电容和dummy电容外分别通过选择开关与VREF、gnd相连接，反向电容阵列的LSB电容和dummy电容的下极板各自通过选择开关与VREF、Vaq、gnd连接；VREF基准电压，Vaq为参考电压，Vaq＝VREF/4。
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-2个单位电容，N为模数转换器的精度。进一步，模数转换器的MSB部分的最大电容随着模数转换器精度的增加而指数增加，且为2N-5C。当N＝10时，最大电容为32C。
下面以5位的电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器开关方法为例进行说明，其开关方法包括采样阶段和比较阶段，具体为；
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MSB部分的电容阵列下极板连接到gnd，LSB部分的电容阵列下极板连接到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部分的电容阵列中所有下极板连接到VREF；
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。
开始第一次比较，如果VINP-VINN大于0，则输出数字码D4为1；如果VINP-VINN小于等于0，则输出数字码D4为0；
如图3所示，若VINP大于VINN，即D1＝1，则正向电容阵列中LSB部分所有电容的下极板连接发生变化，从VREF切换到gnd，反向电容阵列中所有电容的下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压不变，该过程消耗的开关能量为0；反之，即D1＝0，则反向电容阵列中LSB部分所有电容的下极板连接发生变化，从VREF切换到gnd，比较器负输入端电压减少VREF/2，正向电容阵列中所有电容的下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压不变，该过程消耗的开关能量也为0；经过第二次比较得到D2；
如图4所示，当(VINP-VINN)大于VREF/2时，即D1D2＝11，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(LSB电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，正向电容阵列中所有电容连接不发生变化，该过程消耗的开关能量也为(1/4)CVREF 2；
经过第三次比较得到D3；如果D1D2D3＝111，即(VINP-VINN)大于(3/4)VREF，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(1/16)CVREF 2；如果D1D2D3＝110，即(VINP-VINN)大于(1/2)VREF且小于等于(3/4)VREF，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为1/16CVREF 2；经过第四次比较得到D4；如果D1D2D3D4＝1111，即(VINP-VINN)大于(7/8)VREF，D1D2D3D4＝1101，即(VINP-VINN)大于(5/8)VREF且小于等于(3/4)VREF，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(1/64)CVREF 2；如果D1D2D3D4＝1110，即(VINP-VINN)大于(3/4)VREF且小于等于(7/8)VREF，D1D2D3D4＝1100，即(VINP-VINN)大于(1/2)VREF且小于等于(5/8)VREF，则正向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(1/64)CVREF 2；经过第五次比较得到D5；
如图5所示，当(VINP-VINN)大于0且小于等于VREF/2时，即D1D2＝10，反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C)下极板连接发生变化，从VREF切换到gnd，正向电容阵列中所有电容连接不发生变化，该过程消耗的开关能量为(1/4)CVREF 2；
经过第三次比较得到D3；如果D1D2D3＝101，即(VINP-VINN)大于(1/4)VREF且小于等于VREF/2时，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(9/16)CVREF 2；如果D1D2D3＝100，即(VINP-VINN)大于0且小于等于(1/4)VREF，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(1/16)CVREF 2；经过第四次比较得到D4；如果D1D2D3D4＝1011，即(VINP-VINN)大于(3/8)VREF且小于等于(1/2)VREF，D1D2D3D4＝1001，即(VINP-VINN)大于(1/8)VREF且小于等于(1/4)VREF，则正向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(1/64)CVREF 2；如果D1D2D3D4＝1010，即(VINP-VINN)大于(1/4)VREF且小于等于(3/8)VREF，D1D2D3D4＝1100，即(VINP-VINN)大于0且小于等于(1/8)VREF，则正向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(1/64)CVREF 2；经过第五次比较得到D5；
如图6所示，当(VINP-VINN)大于(-1/2)VREF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(LSB电容C)下极板连接发生变化，从VREF切换到gnd，反向电容阵列中所有电容连接不发生变化，该过程消耗的开关能量也为(1/4)CVREF 2；经过第三次比较得到D3；如果D1D2D3＝011，即(VINP-VINN)大于(-1/4)VREF且小于等于0，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接不发生变化，该过程消耗的开关能量也为(1/16)CVREF 2；如果D1D2D3＝010，即(VINP-VINN)大于(-1/2)VREF且小于等于(-1/4)VREF，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量也为(9/16)CVREF 2；经过第四次比较得到D4；如果D1D2D3D4＝0111，即(VINP-VINN)大于(-1/8)VREF且小于等于0，D1D2D3D4＝0101，即(VINP-VINN)大于(-3/8)VREF且小于等于(-1/4)VREF，则反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/64)CVREF 2；如果D1D2D3D4＝0110，即(VINP-VINN)大于(-1/4)VREF且小于等于(-1/8)VREF，D1D2D3D4＝0100，即(VINP-VINN)大于(-1/2)VREF且小于等于(-3/8)VREF，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/64)CVREF 2；经过第五次比较得到D5；
如图7所示，当(VINP-VINN)小于等于(-1/2)VREF且时，即D1D2＝00，正向电容阵列中MSB部分中对应电容(LSB电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，反向电容阵列中所有电容连接不发生变化，该过程消耗的开关能量也为(1/4)CVREF 2；经过第三次比较得到D3；如果D1D2D3＝001，即(VINP-VINN)大于(-3/4)VREF且小于等于(-1/2)VREF，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接不发生变化，该过程消耗的开关能量也为(1/16)CVREF 2；如果D1D2D3＝000，即(VINP-VINN)小于等于(-3/4)VREF，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(LSB电容C和dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/16)CVREF 2；经过第四次比较得到D4；如果D1D2D3D4＝0011，即(VINP-VINN)大于(-5/8)VREF且小于等于(-1/2)VREF，D1D2D3D4＝0001，即(VINP-VINN)大于(-7/8)VREF且小于等于(-3/4)VREF，则反向电容阵列中MSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/64)CVREF 2；如果D1D2D3D4＝0010，即(VINP-VINN)大于(-3/4)VREF且小于等于(-5/8)VREF，D1D2D3D4＝0000，即(VINP-VINN)小于等于(-7/8)VREF，则反向电容阵列中LSB部分中对应电容(dummy电容C)下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，该过程消耗的开关能量为(1/64)CVREF 2；经过第五次比较得到D5；
如图8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21.11CVREF 2，与传统结构相比，节省了98.45％。并且本发明所需要的单位电容数量减少了87.5％，Vaq的不准确对SAR ADC的精度影响很小。因此，本发明提供的开关算法在电容面积、功耗以及ADC精度方面达到了很好的平衡，具备很好的经济效益。
本发明采用以上技术方案，对比现有技术具有如下优点：1.DAC电容面积在SARADC芯片中所占面积过大。本发明在最后两次位转换周期中引入Vaq(等于VREF/4)，DAC电容面积比传统结构减少了87.5％。2.DAC开关算法导致电容充放电消耗能量较多。本发明通过减少电容面积和高能效的单边双电平开关算法，消耗的开关能量比传统结构减少了98.45％。3.第三个参考电压的精度对SAR ADC的精度影响很大。本发明只在最后两次位转换周期中引入第三个参考电压Vaq，Vaq的不精准对SAR ADC的精度影响很小。
本发明提出的开关算法在DAC电容面积、开关能耗以及SAR ADC的精度方面达到了很好的折衷。
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)

1.一种应用于SAR ADC的DAC开关方法，采用的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；
MSB部分和LSB部分包括N-5个高位电容、一个LSB电容和一个dummy电容，N-5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-5C，N为模数转换器的精度且N为大于或等于5的整数；
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，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，正向电容阵列的下极板除LSB电容和dummy电容外分别通过选择开关与VREF、gnd相连接，正向电容阵列的LSB电容和dummy电容的下极板各自通过选择开关与VREF、Vaq、gnd连接；反向电容阵列的下极板除LSB电容和dummy电容外分别通过选择开关与VREF、gnd相连接，反向电容阵列的LSB电容和dummy电容的下极板各自通过选择开关与VREF、Vaq、gnd连接；VREF基准电压，Vaq为参考电压，Vaq＝VREF/4；其特征在于：DAC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 FDA0002077787540000011
时，DM＝1；
当M≥2且
Figure FDA0002077787540000012
时，其中m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure FDA0002077787540000013
当VINP-VINN小于或等于
Figure FDA0002077787540000014
时，DM＝0；
步骤3，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；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连接到gnd，即比较器正输入端电压减少了VREF/2，比较器负输入端电压不变；反之D1＝0，反向电容阵列的LSB部分的所有电容的下极板连接到gnd，即比较器正输入端电压不变，比较器负输入端电压减少了VREF/2；
步骤4，依次进行第二次至第N-3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对应部分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，则每次比较对应的转换器开关切换关系如下：
当VINP-VINN大于
Figure FDA0002077787540000021
时，DM＝1；则正向电容阵列的所有电容下极板保持不变；反向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF，其余电容下极板保持不变；
当
Figure FDA0002077787540000022
m为满足|m|＜2M-1的所有整数；
则
Figure FDA0002077787540000023
对应的开关切换如下：
当D1＝1且DM＝1，则正向电容阵列的所有电容下极板保持不变；反向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF其余电容下极板保持不变；
当D1＝1且DM＝0，则正向电容阵列的所有电容下极板保持不变；反向电容阵列的LSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由VREF切换为gnd，其余电容下极板保持不变；
当D1＝0且DM＝1，则正向电容阵列的LSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由VREF切换为gnd，其余电容下极板保持不变；反向电容阵列的所有电容下极板保持不变；
当D1＝0且DM＝0，则正向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF，其余电容下极板保持不变；反向电容阵列的所有电容下极板保持不变；
当VINP-VINN小于或等于
Figure FDA0002077787540000024
时，DM＝0；则正向电容阵列的MSB部分中与该次比较对应权重的电容下极板由gnd切换为VREF，其余电容下极板保持不变；反向电容阵列的所有电容下极板保持不变；
步骤5，进行第N-2次比较，采用DM计算公式获得第N-2次比较的数字码DN-2的值，则该次比较对应的转换器开关切换关系如下：
当DN-2＝‘1’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中LSB部分中LSB电容和dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-2，反向电容阵列中MSB部分中dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-3；
当DN-2＝‘0’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中LSB部分中LSB电容和dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-2，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器负输入端电压不变；
当DN-2＝‘1’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中LSB部分中LSB电容和dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-2，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器正输入端电压不变；
当DN-2＝‘0’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中LSB部分中LSB电容和dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-2，反向电容阵列中MSB部分中dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到VREF，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-3；
步骤6，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：
当DN-1＝‘1’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中LSB部分中dummy电容下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，即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不发生变化，即比较器负输入端电压不变；
当DN-1＝‘0’且D1＝‘1’，则正向电容阵列中MSB部分中dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器正输入端电压增加了VREF/2N-1，反向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器负输入端电压不变；
当DN-1＝‘1’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中MSB部分中dummy电容下极板连接发生变化，从gnd切换到Vaq，其余电容下极板连接保持不变，即比较器负输入端电压增加了VREF/2N-1，正向电容阵列中所有电容下极板连接保持不变，比较器正输入端电压不变；
当DN-1＝‘0’且D1＝‘0’，则反向电容阵列中LSB部分中dummy电容下极板连接发生变化，从Vaq切换到gnd，其余电容下极板连接保持不变，即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，即比较器正输入端电压不变；
步骤7，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。
2.根据权利要求1所述的一种应用于SAR ADC的DAC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-2个单位电容，N为模数转换器的精度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104734717A (zh) * 2015-01-06 2015-06-24 吴江圣博瑞信息科技有限公司 一种用于模数转换器的高精度三电平开关方法及电路
CN105049050A (zh) * 2015-07-27 2015-11-11 电子科技大学 一种用于逐次逼近模数转换器的电荷重分配方法
WO2016127824A1 (zh) * 2015-02-10 2016-08-18 东南大学 应用于单端sar adc的二进制电容阵列及其冗余校准方法
CN109347480A (zh) * 2018-12-14 2019-02-15 福建工程学院 一种电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器及其开关方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8981973B2 (en) * 2013-03-08 2015-03-17 Microchip Technology Incorporated Successive-approximation-register (SAR) analog-to-digital converter (ADC) attenuation capacitor calibration method and apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104734717A (zh) * 2015-01-06 2015-06-24 吴江圣博瑞信息科技有限公司 一种用于模数转换器的高精度三电平开关方法及电路
WO2016127824A1 (zh) * 2015-02-10 2016-08-18 东南大学 应用于单端sar adc的二进制电容阵列及其冗余校准方法
CN105049050A (zh) * 2015-07-27 2015-11-11 电子科技大学 一种用于逐次逼近模数转换器的电荷重分配方法
CN109347480A (zh) * 2018-12-14 2019-02-15 福建工程学院 一种电容拆分结构的逐次逼近型模数转换器及其开关方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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