CN111669180A - 基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构及其开关切换方法 - Google Patents

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CN111669180A CN202010702642.1A CN202010702642A CN111669180A CN 111669180 A CN111669180 A CN 111669180A CN 202010702642 A CN202010702642 A CN 202010702642A CN 111669180 A CN111669180 A CN 111669180A
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魏榕山
魏聪
林锐
杨臻
何明华
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Abstract

本发明涉及一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构及其开关切换方法。所述电路包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，第一、第二电容阵列的电容顶板DACP、DACN分别与比较器连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平Vcm连接，第一、第二电容阵列中电容的底板经第一、第二切换开关组与基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip或者Vin连接；比较器包括依次连接的动态预放大器、动态锁存器，动态预放大器的两输入端分别作为比较器的同相、反相输入端，动态锁存器输出端作为比较器的输出端。本发明相比于传统型电容阵列节省了最高位权重电容，且相比于顶板采样的电容阵列开关切换结构，可以实现更好的ADC精度。

Description

基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构及其开关切换方法
技术领域
本发明涉及一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构及其开关切换方法。
背景技术
随着科技的不断发展，现代社会也进入到了物联网时代。物联网时代是基于互联网产生的新的时代，“万物互联”这个词也很好说明了物联网时代的基本特征。如今物联网时代的快速发展催生了很多产业的兴起，如传感器产业，嵌入式产业，射频器件产业。对于现在物联网智能节点来说，物联网设备逐渐趋向小型化，这就要求能够进行信息转换的器件——传感器同样趋于微型化、智能化。因此作为连接智能设备和自然届的桥梁，传感器产业越来越受到人们的重视，而ADC就是传感器中重要的一个部分，其用于可穿戴智能设备和智能家居的用途，决定了模数转换器(ADC）的发展也往低功耗、高精度的方向发展。
在市面上常见的ADC中，SAR ADC具有的低功耗，中精度，中低速度，结构简单等优点，使得SAR ADC广泛用于智能家居产业中，同时也成为ADC研究中的热门。其包含三个模块，DAC电容阵列模块，比较器模块，数字逻辑模块。在SAR ADC进行工作时，DAC电容阵列是否能最大限度降低切换功耗，就决定了该SAR ADC是否拥有良好的功耗性能，因此切换功耗也在一定程度上决定了SAR ADC的功耗上限，可以说是重要一环，同样，比较器的输入噪声也决定了ADC的精度，其功耗同样至关重要。因此许多年来，研究出更低功耗的DAC电容阵列切换模式，及低功耗高精度的比较器就成为了SAR ADC的热点。
这些年来，无数科学家和研究学者致力于低功耗的SAR ADC设计。时至今日，关于比较器的研究，已经从静态比较器到动态比较器，再从动态比较器到全动态比较器，比较器降低功耗的方法已经非常完善，但是关于DAC电容阵列模块的低功耗设计却还有很大的提升空间。目前传统型的N位电容式DAC结构，如图1所示。电路结构主要包括二进制权重的C0，C0，2 C0……2N-1C0，2NC0的电容阵列、比较器、切换开关以及固定电平Vref，Vss，Vcm和输入电平Vip与Vin。但是由于其电容阵列的开关切换功耗高，所以并不适用于低功耗的应用场合。在传统型的N位电容式DAC结构中，为了抑制底板噪声、电源噪声以及拥有一个好的共模噪声性能，所以采用了全差分结构。传统型结构中使用二进制权重的电容阵列是为了获得更好的线性度。由于ADC是全差分的，所以电容两边的工作状态是互补结构。为了简单起见，只对传统型电容阵列中DACP端的工作状态进行描述。首先在采样相位，电容底板全部都连接到Vip电位，并且电容顶板复位到共模电压Vcm。下一步，与电容顶板相连接的采样开关断开，最高位电容2NC0的底板连接到Vref，并且剩下的电容切换到Vss地电位；随后比较器开始它的第一次比较，如果Vip>Vin,那么输出最高有效位(MSB)为1；否则最高有效位(MSB)为0，并且最大电容2NC0的底板连接到VSS地电位。接着，权重第二大的电容2N-1C0底板被连接到Vref电位，随后比较器进行第二次比较。这个ADC重复这个过程，直到最低有效位(LSB）被比完。尽管这个反复试验的办法是简单的，但是它并不是一个节能的方案，尤其是比较结果为0时的切换功耗时是非常大的。以10位电容阵列为例，这种传统型电容阵列平均开关切换功耗为1363C0Vref 2。为了研究如何降低电容阵列的开关切换功耗，这些年来无数的学者在这种传统型底板采样结构的基础上进行研究，发明了很多低功耗的电容阵列开关切换方案，这其中尤其以采用顶板采样结构的电容阵列为代表，目前主流的基于顶板采样的10位电容阵列平均开关切换功耗在255 C0Vref 2左右，但是由于底板采样相对于顶板采样具有天然可实现更高精度的优势，这使得基于底板采样低切换功耗电容阵列的开关切换方案成为研究的热门。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构及其开关切换方法，本发明开关切换电路相比于且相比于顶板采样的电容阵列开关切换结构，可以实现更好的ADC精度，且相比于传统型电容阵列节省了最高位权重电容，并且在节省了最高位权重电容的情况下还能实现比传统型多一位的比较，另外，本发明的开关切换控制方法节省了大量功耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，所述第一电容阵列、第二电容阵列均由二进制权重容值为C0、C0、2 C0……2N-1C0的N+1个电容组成，所述第一切换开关组、第二切换开关组均包括N+1个切换开关，第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，DACP和DACN分别与比较器的同相输入端、反相输入端连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平Vcm连接，第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip，第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平Vref、共模电平Vcm、输入电平Vip，第二电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip，第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平Vref、共模电平Vcm、输入电平Vin；所述比较器包括动态预放大器、动态锁存器，动态预放大器的两输入端分别作为比较器的同相输入端和反相输入端，动态预放大器的两输出端分别与动态锁存器的两输入端连接，动态锁存器的两输出端分别作为比较器的两输出端。
在本发明一实施例中，所述第一切换开关组中与第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板连接的N个切换开关为单刀四掷开关，第一切换开关组中与第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板连接的1个切换开关为单刀三掷开关。
在本发明一实施例中，所述第二切换开关组中与第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板连接的N个切换开关为单刀四掷开关，第二切换开关组中与第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板连接的1个切换开关为单刀三掷开关。
在本发明一实施例中，所述动态预放大器包括M1、M2、M3、M4、M13，电容C1、C2，M1的栅极、M2的栅极分别与DACP、DACN连接，M1的源极、M2的源极与M13的漏极连接，M1的漏极与M3的漏极相连接、M2的漏极与M4的漏极相连接分别作为动态预放大器的两输出端，M1的漏极、M2的漏极还分别与C1的上极板、C2的上极板，M3的栅极、M4的栅极、M13的栅极输入第一时钟信号，M3的源极、M4的源极连接至电源电位，M5的源极、C1的下极板、C2的下极板连接至地电位。
在本发明一实施例中，所述动态锁存器包括M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12，M5的源极、M6的源极连接至电源电位，M5的栅极、M8的漏极、M10的栅极、M11的漏极、M12的漏极相连接作为动态锁存器的第一输出端，M6的栅极、M7的漏极、M9的漏极、M10的漏极、M11的栅极相连接作为动态锁存器的第二输出端，M5的漏极、M6的漏极分别与M7的源极、M8的源极相连接，M7的栅极、M8的栅极分别作为动态锁存器的两输入端，M9的源极、M10的源极、M11的源极、M12的源极连接至地电位，M9的栅极、M12的栅极输入与第一时钟信号反相的第二时钟信号。
本发明还提供了一种基于上述所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方法，包括如下步骤：
步骤S1、在采样相位，控制第一电容阵列中全部电容的底板连接到输入电平Vip，第二电容阵列中全部电容的底板连接到输入电平Vin，并且控制DACP和DACN复位到共模电平Vcm；
步骤S2、控制与DACP和DACN相连接的采样开关断开，第一电容阵列中全部电容的底板和第二电容阵列中全部电容的底板连接到共模电平Vcm；
步骤S3、比较器开始第一次比较，若DACP电压大于DACN电压，那么比较器输出最高有效位MSB为1，并且第一电容阵列中全部电容的底板保持连接到基准电平Vref，第二电容阵列中全部电容的底板切换连接到共模电平Vcm；若DACP电压小于DACN电压，则比较器输出最高有效位MSB为0，并且第一电容阵列中全部电容的底板切换连接到共模电平Vcm不变，第二电容阵列中全部电容的底板保持连接到基准电平Vref；
步骤S4、比较器进行第二次比较，若DACP电压大于DACN电压，比较器输出次高有效位MSB-1为1，否则比较器输出次高有效位MSB-1为0；若MSB和MSB-1的比较结果均为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中的最高位电容，即权重容值最高的电容的底板由Vcm电位切换到Vss电位；若MSB比较结果为1而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中权重容值最高的电容的底板由Vref电位切换到Vcm电位，第二电容阵列中的全部电容连接不变；若MSB比较结果为0而MSB-1结果为1，则第一电容阵列中的全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中权重容值最高的电容的底板由基准电平Vref切换到共模电平Vcm；若MSB比较结果为0而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中权重容值最高的电容的底板由共模电平Vcm被切换到地电平Vss，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变；
步骤S5、重复比较器的比较过程，直到最低有效位LSB比完。
在本发明一实施例中，比较器处于比较状态时，由于比较器的两输入端即动态预放大器的两输入端存在压差，因此两条支路漏电流不同，导致动态预放大器的两输出端电位下降速度不同，也即动态锁存器的两输入端电位速度不同，从而使得动态锁存器的两输出端即比较器的两输出端输出比较结果，即：当比较器的同相输入端电压大于反相输入端电压，即DACP电压大于DACN电压时，比较器输出1；当比较器的同相输入端电压小于反相输入端电压，即DACP电压小于DACN电压时，比较器输出0。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明开关切换电路相比于且相比于顶板采样的电容阵列开关切换结构，可以实现更好的ADC精度，且相比于传统型电容阵列节省了最高位权重电容，并且在节省了最高位权重电容的情况下还能实现比传统型多一位的比较，更重要的是前两位的比较，这种切换方案的功耗等于0，即本发明开关切换控制方法节省了大量功耗，相比传统型电容阵列开关切换结构和目前主流的电容阵列开关切换结构，本发明在电容阵列开关功耗方面具有巨大优势。
附图说明
图1为N位SAR ADC电容阵列的传统型开关切换电路结构。
图2为N位基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构。
图3为N位基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的比较器结构。
图4为4位基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方案过程的图例。
图5为10位基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方案与传统型切换方案的功耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，所述第一电容阵列、第二电容阵列均由二进制权重容值为C0、C0、2 C0……2N-1C0的N+1个电容组成，所述第一切换开关组、第二切换开关组均包括N+1个切换开关，第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，DACP和DACN分别与比较器的同相输入端、反相输入端连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平Vcm连接，第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip，第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平Vref、共模电平Vcm、输入电平Vip，第二电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip，第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平Vref、共模电平Vcm、输入电平Vin；所述比较器包括动态预放大器、动态锁存器，动态预放大器的两输入端分别作为比较器的同相输入端和反相输入端，动态预放大器的两输出端分别与动态锁存器的两输入端连接，动态锁存器的两输出端分别作为比较器的两输出端。
所述第一切换开关组中与第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板连接的N个切换开关为单刀四掷开关，第一切换开关组中与第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板连接的1个切换开关为单刀三掷开关。所述第二切换开关组中与第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板连接的N个切换开关为单刀四掷开关，第二切换开关组中与第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板连接的1个切换开关为单刀三掷开关。
所述动态预放大器包括M1、M2、M3、M4、M13，电容C1、C2，M1的栅极、M2的栅极分别与DACP、DACN连接，M1的源极、M2的源极与M13的漏极连接，M1的漏极与M3的漏极相连接、M2的漏极与M4的漏极相连接分别作为动态预放大器的两输出端，M1的漏极、M2的漏极还分别与C1的上极板、C2的上极板，M3的栅极、M4的栅极、M13的栅极输入第一时钟信号，M3的源极、M4的源极连接至电源电位，M5的源极、C1的下极板、C2的下极板连接至地电位。所述动态锁存器包括M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12，M5的源极、M6的源极连接至电源电位，M5的栅极、M8的漏极、M10的栅极、M11的漏极、M12的漏极相连接作为动态锁存器的第一输出端，M6的栅极、M7的漏极、M9的漏极、M10的漏极、M11的栅极相连接作为动态锁存器的第二输出端，M5的漏极、M6的漏极分别与M7的源极、M8的源极相连接，M7的栅极、M8的栅极分别作为动态锁存器的两输入端，M9的源极、M10的源极、M11的源极、M12的源极连接至地电位，M9的栅极、M12的栅极输入与第一时钟信号反相的第二时钟信号。
本发明还提供了一种基于上述所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方法，包括如下步骤：
步骤S1、在采样相位，控制第一电容阵列中全部电容的底板连接到输入电平Vip，第二电容阵列中全部电容的底板连接到输入电平Vin，并且控制DACP和DACN复位到共模电平Vcm；
步骤S2、控制与DACP和DACN相连接的采样开关断开，第一电容阵列中全部电容的底板和第二电容阵列中全部电容的底板连接到共模电平Vcm；
步骤S3、比较器开始第一次比较，若DACP电压大于DACN电压，那么比较器输出最高有效位MSB为1，并且第一电容阵列中全部电容的底板保持连接到基准电平Vref，第二电容阵列中全部电容的底板切换连接到共模电平Vcm；若DACP电压小于DACN电压，则比较器输出最高有效位MSB为0，并且第一电容阵列中全部电容的底板切换连接到共模电平Vcm不变，第二电容阵列中全部电容的底板保持连接到基准电平Vref；
步骤S4、比较器进行第二次比较，若DACP电压大于DACN电压，比较器输出次高有效位MSB-1为1，否则比较器输出次高有效位MSB-1为0；若MSB和MSB-1的比较结果均为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中的最高位电容，即权重容值最高的电容的底板由Vcm电位切换到Vss电位；若MSB比较结果为1而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中权重容值最高的电容的底板由Vref电位切换到Vcm电位，第二电容阵列中的全部电容连接不变；若MSB比较结果为0而MSB-1结果为1，则第一电容阵列中的全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中权重容值最高的电容的底板由基准电平Vref切换到共模电平Vcm；若MSB比较结果为0而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中权重容值最高的电容的底板由共模电平Vcm被切换到地电平Vss，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变；
步骤S5、重复比较器的比较过程，直到最低有效位LSB比完。
比较器处于比较状态时，由于比较器的两输入端即动态预放大器的两输入端存在压差，因此两条支路漏电流不同，导致动态预放大器的两输出端电位下降速度不同，也即动态锁存器的两输入端电位速度不同，从而使得动态锁存器的两输出端即比较器的两输出端输出比较结果，即：当比较器的同相输入端电压大于反相输入端电压，即DACP电压大于DACN电压时，比较器输出1；当比较器的同相输入端电压小于反相输入端电压，即DACP电压小于DACN电压时，比较器输出0。
以下为本发明的具体实现过程。
针对基于底板采样的低功耗SAR ADC设计，为了避免使用较高功耗的电容阵列开关切换方案，本发明提出了一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，如图2所示。电路结构主要包括二进制权重的C0，C0，2 C0……2N-1C0的电容阵列、比较器、切换开关以及基准电平Vref，地电平Vss，共模电平Vcm、输入电平Vip和Vin。在采样相位，与Vcm相连接的采样开关闭合，第一电容阵列中全部电容的底板连接到Vip电位，第二电容阵列中全部电容的底板连接到Vin电位，并且DACP和DACN复位到Vcm电位（第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN）。下一步，与DACP和DACN相连接的采样开关断开，第一电容阵列和第二电容阵列中全部电容的底板连接到Vcm电位。随后比较器开始它的第一次比较，如果DACP电压大于DACN电压，那么比较器输出最高有效位(MSB)为1，并且第一电容阵列中全部电容的底板切换连接到Vref电位，第二电容阵列中全部电容的底板保持连接到Vcm不变；如果DACP电压小于DACN电压，则比较器输出最高有效位(MSB)为0，并且第一电容阵列中全部电容的底板保持连接到Vcm不变，第二电容阵列中全部电容的底板切换连接到Vref电位。随后比较器进行第二次比较，如果DACP电压大于DACN电压，则比较器输出次高有效位（MSB-1）为1，否则比较器输出次高有效位（MSB-1）为0；在MSB-1比较完成后，电路的下一个状态还与MSB的比较结果有关，如果MSB和MSB-1的比较结果均为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中最高位电容2N-1C0的底板由Vcm电位被切换到Vss电位；如果MSB比较结果为1而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中最高位电容2N-1C0的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变；如果MSB比较结果为0而MSB-1结果为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中最高位电容2N-1C0的底板由Vref电位被切换到Vcm电位；如果MSB比较结果为0而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中最高位电容2N-1C0的底板由Vcm电位被切换到Vss电位，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变。随后比较器进行第三次比较。这个ADC重复这个过程，直到最低有效位（LSB）比完。在本发明提出的一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换控制方法中，对于SAR ADC电容阵列的顶板电压，在比较的开始时刻与结束时刻这两个时刻都趋近于共模电压Vcm，这将提高比较器的转换线性；此外，本发明的SAR ADC电容阵列比传统型电容阵列节省了最高位权重电容，并且在节省了最高位权重电容的情况下还能实现比传统型多一位的比较，这使得整个切换过程功耗大大降低。
图3为本发明N位基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的比较器结构示意图（即图2中标号为0的器件），比较器处于复位状态时，CLK为低电平，CLKB为高电平。动态预放大器中的M3，M4导通，on1，op1端被拉至电源电位，M13截止，动态预放大器不工作，动态锁存器中的M9，M12导通，OUTN，OUTP被拉至地电位，M5，M6导通，M7，M8源端电位被拉至电源电位。比较状态时，CLK为高电平，CLKB为低电平，动态预放大器中的M13导通，M1，M2的源端被拉至地电位，由于比较器的输入端存在压差，因此两条支路漏电流不同，导致漏端电位（即on1，op1电位）下降速度不同，过驱动电压较大的MOS管漏端电位下降速度快，以M1栅极输入电位下降时间小于M2栅极输入电位下降时间（即VDACP>VDACN）为例进行说明。在动态锁存器中，on1电位下降速度快于op1，因此M8比M7先达到导通条件，一旦on1电位下降至使M8管子导通的电位时，OUTP电位先开始上升，OUTN电位后接着上升。OUTP电位上升至使M10导通的电位时，OUTN被拉至地电位。因此导致比较器结果为OUTP为高电平，OUTN为低电平。
综上所述，当VDACP>VDACN时，比较器输出为OUTP为高电平，OUTN为低电平。比较结果正确。反之当VDACP<VDACN时，比较器工作原理如上述同理一致。
为了更好地进行描述本发明，如图4所示，是一个4位的基于Vcm的超低功耗SARADC开关切换结构的开关切换方案过程的图例。其主要包括二进制权重的C，C，2C的电容阵列，比较器，切换开关以及基准电平Vref，地电平Vss，共模电平Vcm和输入电平Vip与Vin。在采样相位11，与Vcm相连接的采样开关闭合，第一电容阵列中全部电容的底板连接到Vip电位，第二电容阵列中全部电容的底板连接到Vin电位，并且DACP和DACN复位到Vcm电位（第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN）。采样相位结束后，进入MSB的比较状态12，与DACP和DACN相连接的采样开关断开，第一电容阵列和第二电容阵列中全部电容的底板都连接到Vcm电位，由状态11到状态12切换功耗为0。随后比较器开始它的第一次比较，如果DACP电压大于DACN电压，那么输出最高有效位(MSB)为1，并且切换到状态21的电路，第一电容阵列中全部电容的底板切换连接到Vref电位，第二电容阵列中全部电容的底板保持连接到Vcm电位，由状态12到状态21切换功耗为0；如果DACP电压小于DACN电压，则最高有效位(MSB)为0，并且切换到状态22的电路，第一电容阵列中全部电容的底板保持连接到Vcm电位，第二电容阵列中全部电容的底板切换连接到Vref电位，由状态12到状态22切换功耗为0。随后比较器进行第二次比较，如果DACP电压大于DACN电压，输出次高有效位（MSB-1）为1，否则输出次高有效位（MSB-1）为0；在MSB-1比较完成后，电路的下一个状态还与MSB的比较结果有关，如果MSB和MSB-1的比较结果均为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中最高位电容2C的底板由Vcm电位被切换到Vss电位,如状态31所示，由状态21到状态31切换功耗为CVref 2/4；如果MSB比较结果为1并且MSB-1结果为0，则第一电容阵列中最高位电容2C的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变，如状态32所示，由状态21到状态32切换功耗为CVref 2/4；如果MSB比较结果为0并且MSB-1结果为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中最高位电容2C的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，如状态33所示，由状态22到状态33切换功耗为CVref 2/4；如果MSB比较结果为0并且MSB-1结果为0，则第一电容阵列中最高位电容2C的底板由Vcm电位被切换到Vss电位，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变，如状态34所示，由状态22到状态34切换功耗为CVref 2/4。随后比较器进行第三次比较，第三次比较的切换是基于上一时刻状态31、32、33、34的。若在状态31下进行第三次比较，如果DACP电压大于DACN电压，输出MSB-2位的比较结果为1，并切换到状态41，此时第二电容阵列中次高位电容C的底板由Vcm电位被切换到Vss电位，由状态31到状态41的切换功耗为CVref 2/16；否则输出MSB-2位的比较结果为0，并切换到状态42，此时第一电容阵列中次高位电容C的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，由状态31到状态42的切换功耗为3CVref 2/16。若在状态32下进行第三次比较，如果DACP电压大于DACN电压，输出MSB-2位的比较结果为1，并切换到状态43，此时第二电容阵列中次高位电容C的底板由Vcm电位被切换到Vss电位，由状态32到状态43的切换功耗为3CVref 2/16；否则输出MSB-2位的比较结果为0，并切换到状态44，此时第一电容阵列中次高位电容C的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，由状态32到状态44的切换功耗为CVref 2/16。若在状态33下进行第三次比较，如果DACP电压大于DACN电压，输出MSB-2位的比较结果为1，并切换到状态45，此时第二电容阵列中次高位电容C的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，由状态33到状态45的切换功耗为CVref 2/16；否则输出MSB-2位的比较结果为0，并切换到状态46，此时第一电容阵列中次高位电容C的底板由Vcm电位被切换到Vss电位，由状态33到状态46的切换功耗为3CVref 2/16。若在状态34下进行第三次比较，如果DACP电压大于DACN电压，输出MSB-2位的比较结果为1，并切换到状态45，此时第二电容阵列中次高位电容C的底板由Vref电位被切换到Vcm电位，由状态34到状态47的切换功耗为3CVref 2/16；否则输出MSB-2位的比较结果为0，并切换到状态48，此时第一电容阵列中次高位电容C的底板由Vcm电位被切换到Vss电位，由状态34到状态48的切换功耗为CVref 2/16。第三次比较完成后，根据状态41、42、43、44、45、46、47、48进行第四次比较。在状态41的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态42的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态43的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态44的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态45的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态46的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态47的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。在状态48的情况下，如果DACP电压大于DACN电压，输出最低有效位（LSB）比较结果为1，否则输出LSB的比较结果为0。至此，4位基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构开关切换过程结束。
在本发明中，使用一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方案，对于SAR ADC电容阵列的顶板电压，在比较的开始时刻与结束时刻这两个时刻都趋近于共模电压Vcm，这将提高比较器的转换线性；同时本发明使用基于底板采样的开关切换，相比于这几年流行的顶板采样电容阵列开关切换结构，可以实现更好的ADC精度，此外，本发明的SAR ADC电容阵列比传统型电容阵列节省了最高位权重电容，并且在节省了最高位权重电容的情况下还能实现比传统型多一位的比较，更重要的是前两位的比较，这种切换方案的功耗等于0。这使得相较于传统型的电容阵列开关切换方案来说，本发明不仅节省了大量功耗整个切换过程功耗大大降低。以10位SAR ADC电容阵列的开关切换功耗为例，10位传统型DAC电容阵列平均切换功耗为1363CVref 2，本发明提出的10位基于Vcm的超低功耗SARADC开关切换结构的开关切换功耗为31.8 CVref 2，切换功耗对比图如图5所示。相比传统型电容阵列开关切换结构和目前主流的电容阵列开关切换结构，本发明在电容阵列开关功耗方面具有巨大优势。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，包括第一电容阵列、第二电容阵列、比较器、2个切换开关组、2个采样开关，所述第一电容阵列、第二电容阵列均由二进制权重容值为C0、C0、2 C0……2N-1C0的N+1个电容组成，所述第一切换开关组、第二切换开关组均包括N+1个切换开关，第一电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第一电容阵列的电容顶板DACP，第二电容阵列中全部电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，DACP和DACN分别与比较器的同相输入端、反相输入端连接，DACP和DACN还分别经2个采样开关与共模电平Vcm连接，第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip，第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平Vref、共模电平Vcm、输入电平Vip，第二电容阵列中的N+1个电容的顶板相连接作为第二电容阵列的电容顶板DACN，第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板分别与N个切换开关的一端连接，该N个切换开关的另一端连接基准电平Vref、地电平Vss、共模电平Vcm、输入电平Vip，第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板与1个切换开关的一端连接，该切换开关的另一端连接基准电平Vref、共模电平Vcm、输入电平Vin；所述比较器包括动态预放大器、动态锁存器，动态预放大器的两输入端分别作为比较器的同相输入端和反相输入端，动态预放大器的两输出端分别与动态锁存器的两输入端连接，动态锁存器的两输出端分别作为比较器的两输出端。
2.根据权利要求1所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，所述第一切换开关组中与第一电容阵列中前N个权重容值的电容的底板连接的N个切换开关为单刀四掷开关，第一切换开关组中与第一电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板连接的1个切换开关为单刀三掷开关。
3.根据权利要求1所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，所述第二切换开关组中与第二电容阵列中前N个权重容值的电容的底板连接的N个切换开关为单刀四掷开关，第二切换开关组中与第二电容阵列中最小权重容值的一个电容的底板连接的1个切换开关为单刀三掷开关。
4.根据权利要求1所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，所述动态预放大器包括M1、M2、M3、M4、M13，电容C1、C2，M1的栅极、M2的栅极分别与DACP、DACN连接，M1的源极、M2的源极与M13的漏极连接，M1的漏极与M3的漏极相连接、M2的漏极与M4的漏极相连接分别作为动态预放大器的两输出端，M1的漏极、M2的漏极还分别与C1的上极板、C2的上极板，M3的栅极、M4的栅极、M13的栅极输入第一时钟信号，M3的源极、M4的源极连接至电源电位，M5的源极、C1的下极板、C2的下极板连接至地电位。
5.根据权利要求1所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构，其特征在于，所述动态锁存器包括M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12，M5的源极、M6的源极连接至电源电位，M5的栅极、M8的漏极、M10的栅极、M11的漏极、M12的漏极相连接作为动态锁存器的第一输出端，M6的栅极、M7的漏极、M9的漏极、M10的漏极、M11的栅极相连接作为动态锁存器的第二输出端，M5的漏极、M6的漏极分别与M7的源极、M8的源极相连接，M7的栅极、M8的栅极分别作为动态锁存器的两输入端，M9的源极、M10的源极、M11的源极、M12的源极连接至地电位，M9的栅极、M12的栅极输入与第一时钟信号反相的第二时钟信号。
6.一种基于权利要求1至5任一所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、在采样相位，控制第一电容阵列中全部电容的底板连接到输入电平Vip，第二电容阵列中全部电容的底板连接到输入电平Vin，并且控制DACP和DACN复位到共模电平Vcm；
步骤S2、控制与DACP和DACN相连接的采样开关断开，第一电容阵列中全部电容的底板和第二电容阵列中全部电容的底板连接到共模电平Vcm；
步骤S3、比较器开始第一次比较，若DACP电压大于DACN电压，那么比较器输出最高有效位MSB为1，并且第一电容阵列中全部电容的底板保持连接到基准电平Vref，第二电容阵列中全部电容的底板切换连接到共模电平Vcm；若DACP电压小于DACN电压，则比较器输出最高有效位MSB为0，并且第一电容阵列中全部电容的底板切换连接到共模电平Vcm不变，第二电容阵列中全部电容的底板保持连接到基准电平Vref；
步骤S4、比较器进行第二次比较，若DACP电压大于DACN电压，比较器输出次高有效位MSB-1为1，否则比较器输出次高有效位MSB-1为0；若MSB和MSB-1的比较结果均为1，则第一电容阵列中全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中的最高位电容，即权重容值最高的电容的底板由Vcm电位切换到Vss电位；若MSB比较结果为1而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中权重容值最高的电容的底板由Vref电位切换到Vcm电位，第二电容阵列中的全部电容连接不变；若MSB比较结果为0而MSB-1结果为1，则第一电容阵列中的全部电容的底板连接不变，第二电容阵列中权重容值最高的电容的底板由基准电平Vref切换到共模电平Vcm；若MSB比较结果为0而MSB-1结果为0，则第一电容阵列中权重容值最高的电容的底板由共模电平Vcm被切换到地电平Vss，第二电容阵列中全部电容的底板连接不变；
步骤S5、重复比较器的比较过程，直到最低有效位LSB比完。
7.根据权利要求6所述的基于Vcm的超低功耗SAR ADC开关切换结构的开关切换方法，其特征在于，比较器处于比较状态时，由于比较器的两输入端即动态预放大器的两输入端存在压差，因此两条支路漏电流不同，导致动态预放大器的两输出端电位下降速度不同，也即动态锁存器的两输入端电位速度不同，从而使得动态锁存器的两输出端即比较器的两输出端输出比较结果，即：当比较器的同相输入端电压大于反相输入端电压，即DACP电压大于DACN电压时，比较器输出1；当比较器的同相输入端电压小于反相输入端电压，即DACP电压小于DACN电压时，比较器输出0。
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