CN111756379B - 一种电容型sar adc - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容型SAR ADC。包括比较器，所述比较器的正端和负端各连接采样电容网络和共模调整电容网络，其中，在采样阶段，所述采样电容网络和所述共模调整电容网络的上极板接第一电源电压，所述共模调整电容网络的下极板接第一电源电压，连接在所述比较器的正端和负端的采样电容网络的下极板分别接VIP和VIN，在转换阶段，所述采样电容网络的下极板接第一电源电压或第二电源电压，所述共模调整电容网络的下极板接第二电源电压。该电容型SAR ADC能够完成对输出共模电压的调整，调整后的共模电压小于第一电源电压，从而能够避免出现漏电流而导致信号的泄露。

Description

一种电容型SAR ADC
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种电容型SAR ADC。
背景技术
逐次逼近型(Successive Approximation，SAR)模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)是一种低速中高分辨率的结构，采样速度通常在10M以下，分辨率一般为8位至16位。SAR架构允许高性能、低功耗ADC采用小尺寸封装，适合对尺寸要求严格的系统。这些特点使SAR ADC获得了很广的应用范围，例如便携式电池供电仪表、各类传感芯片、工业控制和数据信号采集器等。
对于传统的SAR ADC，如图1所示，包含电容阵列DAC、比较器CMP和SAR控制逻辑。在采样阶段，电容阵列C0-C10的下极板通过开关S10-S0接输入信号，上极板通过开关Sa接Vcm，Vcm通常是第一电源电压(表示为VDD)的一半，即0.5×VDD，以保证比较器的输入有合适的共模电压。
然而，传统的SAR ADC可能会出现漏电流从而导致信号的泄露。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了克服目前存在的问题，本发明提供了一种电容型SAR ADC，包括比较器，
所述比较器的正端和负端各连接采样电容网络和共模调整电容网络，
其中，在采样阶段，所述采样电容网络和所述共模调整电容网络的上极板接第一电源电压，所述共模调整电容网络的下极板接第一电源电压，连接在所述比较器的正端和负端的采样电容网络的下极板分别接VIP和VIN，
在转换阶段，所述采样电容网络的下极板接第一电源电压或第二电源电压，所述共模调整电容网络的下极板接第二电源电压。
可选地，在采样阶段，所述采样电容网络和所述共模调整电容网络的上极板通过PMOS接第一电源电压。
可选地，所述采样电容网络包括N+2个电容，电容值分别为：Cu、2Cu、…、2N+1Cu；
所述共模调整电容网络包括M+2个电容，电容值分别为：Cu、2Cu、…、2M+1Cu；
其中，Cu表示单位电容的大小，N和M为正整数。
可选地，所述采样电容网络还包括一个单位电容，具有电容值Cu。
可选地，共模电压通过下式表示：
其中，VDD表示第一电源电压，VSS表示第二电源电压，C1＝Cu+Cu+2Cu+…+2N+1Cu，C2＝Cu+2Cu+…+2M+1Cu。
可选地，所述转换阶段的共模电压的调整幅度依赖于所述采样电容网络与所述共模调整电容网络的电容的比例。
本发明实施例中的电容型SAR ADC包括采样电容网络和共模调整网络，可以完成对DAC输出共模电压的调整，调整后的共模电压小于第一电源电压，避免出现漏电流而导致信号的泄露。另外，本发明实施例中的电容型SAR ADC的所有开关传导电压均为VDD或者VSS，避免中间电平不可传导的问题；并且电容阵列不会产生静态功耗。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了传统的SAR ADC的一个示意图；
图2示出了本发明实施例的电容型SAR ADC的一个示意图；
图3示出了本发明实施例的电容型SAR ADC的另一个示意图；
图4示出了本发明实施例的电容型SAR ADC的一个仿真示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构以及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参见图1，是传统的SAR ADC的一个示意图。在实际应用中由于共模电压的偏差，会导致信号的泄露，为降低信号泄露的风险，可以在图1的基础上增加一个电阻网络形成电阻型SAR ADC，产生不同的电压。然而在高速应用中，电阻型SAR ADC会存在下面的两个问题：
1.VCM很难直接通过单管导通，例如在28nm工艺，电源电压(表示为VDD)为0.9V，器件的阈值电压约为0.5左右，Vcm为电源电压的一半即0.45v，从而Vth+Vcm>VDD，因此，Vcm无论是采用Pmos或者Nmos都很难导通。
2.采用电阻的调节方式同样会引入功耗问题，在高速应用中，必然要求电阻值比较小，以保证快速的建立速度，这样会引入很大的功耗。
为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种电容型SAR ADC。下面参考附图对本发明的缺陷扫描方法做详细描述；图1示出了传统的SAR ADC的一个示意图；图2示出了本发明实施例的电容型SAR ADC的一个示意图；图3示出了本发明实施例的电容型SAR ADC的另一个示意图；图4示出了本发明实施例的电容型SAR ADC的一个仿真示意图。
本发明不采用Vcm作为采样共模，而是直接采用VDD电压作为比较器的输入共模，解决开关采样的问题。另外，为防止DAC的电荷泄露，采用电容阵列对共模进行调整。并且该阵列的导通电压为“0”或者“VDD”。电容阵列消除了静态功耗，而且达到很好的共模调节目的。
下面，对本发明的电容型SAR ADC的具体实施方式做详细的说明。为了描述的方便，下述实施例中，VDD表示第一电源电压；VSS表示第二电源电压；VIP和VIN表示输入电压，即差分输入电压；VCM表示共模电压；Cu表示单位电容的大小。
本发明提供一种电容型SAR ADC，如图2所示，其包括比较器CMP，还包括：在比较器的正端和负端分别连接采样电容网络和共模调整电容网络。其中，电容网络也可以称为电容阵列，即采样电容网络和共模调整电容网络也可以分别称为采样电容阵列和共模调整电容阵列。
在比较器的正端连接的采样电容网络和共模调整电容网络可以分别称为正端采样电容网络和正端共模调整电容网络；在比较器的负端连接的采样电容网络和共模调整电容网络可以分别称为负端采样电容网络和负端共模调整电容网络。
可见，本发明实施例提供的电容型SAR ADC在传统的SAR ADC基础上增加了电容网络，包括采样电容网络和共模调整电容网络，在版图上容易实现，可以兼容。
如图2所示，采样电容网络可以包括N+2个电容，电容值分别为：Cu、2Cu、…、2N+1Cu。共模调整电容网络可以包括M+2个电容，电容值分别为：Cu、2Cu、…、2M+1Cu。其中，Cu表示单位电容的大小，N和M为正整数。可选地，N>M>1，例如图2示出的M＝3，N＝6。应注意，图2中仅示出了正端采样电容和正端共模调整电容网络的各个电容的电容值，负端采样电容和负端共模调整电容网络的各个电容的电容值与正端的是对称的。
作为一种实现方式，采样电容网络还可以额外再包括一个电容，这个额外包括的电容为单位电容，其电容值为Cu。如图3所示，也就是说，图3中示出的M＝3，N＝5。应注意，图3中仅示出了正端采样电容和正端共模调整电容网络的各个电容的电容值，负端采样电容和负端共模调整电容网络的各个电容的电容值与正端的是对称的。
示例性地，可以将采样电容网络所包括的所有电容的电容值之和表示为C1，将共模调整电容网络所包括的所有电容的电容值之和表示为C2。，例如，针对图3所示的结构，C1＝Cu+Cu+2Cu+…+2N+1Cu，C2＝Cu+2Cu+…+2M+1Cu。
本发明实施例中，在采样阶段，采样电容网络和共模调整电容网络的上极板接VDD，共模调整电容网络的下极板接VDD，连接在比较器的正端和负端的采样电容网络的下极板分别接VIP和VIN。
也就是说，在采样阶段，正端采样电容网络、正端共模调整电容网络、负端采样电容网络和负端共模调整电容网络的上极板均接VDD。正端共模调整电容网络和负端共模调整电容网络的下极板也均接VDD。正端采样电容网络的下极板接VIP，负端采样电容网络的下极板接VIN。
具体地，采样电容网络和共模调整电容网络的上极板可以通过PMOS(P-channelMetal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)接VDD。
本发明实施例中，在转换阶段，采样电容网络的下极板接VDD或VSS，共模调整电容网络的下极板接VSS。
具体地，采样电容网络的下极板根据比较器的输出结果(大于零，或者，小于零)接通VDD或VSS，保证正确的量化过程，共模调整电容网络的下极板由VDD转接到VSS，完成对DAC输出共模电压的调整。
本发明实施例中，调整后的共模电压可以表示为VCM(DAC_OUT)，在图3所示的结构的情况下，表示为下式：
其中，C1＝Cu+Cu+2Cu+…+2N+1Cu，C2＝Cu+2Cu+…+2M+1Cu。
由于VSS<VDD，例如VSS＝0。所以VCM(DAC_OUT)<VDD。也就是说，本发明实施例中调整后的共模电压小于VDD。
参见上式，要实现对VCM(DAC_OUT)的调整，只需要调整C1和C2的比例即可，也就是说，只需要调整N和M的值即可，可见，对共模电压的调整方式简单易实现，并且这种调整的精度高。
具体地，转换阶段的共模电压的调整幅度依赖于采样电容网络与共模调整电容网络的电容的比例。
具体地，VSS＝0时，基于上式可以得出：
其中，μ＝C1/C2。也就是说，转换阶段的共模电压的调整幅度依赖于采样电容网络所包括的所有电容的电容值之和，与，共模调整电容网络所包括的所有电容的电容值之和，两者的比值。
如图4示出了采用本发明实施例的电容型SAR ADC的仿真示意图。其中，在采样阶段的共模电压为900mV，而在转换阶段的共模电压为700mV左右。也就是说，在转换阶段的调整后的共模电压700mV小于采样阶段的共模电压900mV。
在传统的SAR ADC中，直接采用VDD作为比较器的输入共模电压，在实际应用中电压值会大于VDD从而导致电荷泄露。而本发明实施例中，由于调整后的共模电压小于VDD，从而不会发生电荷泄露的风险，从而不会因漏电出现信号泄露。另外，在传统的SAR ADC中，由于在实际应用中电压值会大于VDD，因此需要额外的电阻来分压，然而引入额外的电阻也必然同时会引入额外的功耗。而本发明实施例中，由于调整后的共模电压小于VDD，无需引入电阻，从而也能够避免额外的功耗。
另外，本发明实施例中，尽管VCM(DAC_OUT)<VDD，但是所有的开关传导电压均为VDD或者VSS，而没有中间电平(Vth)，由于开关处于中间电平会发生不可导通的问题，因此本发明实施例避免中间电平的出现也能够避免出现不可导通的现象。另外，在存在中间电平的情形下，可能需要额外的电阻，如此会增加静态功耗。而本发明实施例中，由于没有中间电平，也就无需额外的电阻，从而能够避免静态功耗的产生。
由此可见，本发明实施例所提供的电容型SAR ADC具有如下的优点：
1、在版图上容易实现，可兼容。
2、能够避免出现电荷泄露的风险。
3、开关没有中间电平，避免开关的不可导通性。
4、避免额外的静态功耗。
5、调整幅度只依赖于电容的比例，调整精度高。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (6)

1.一种电容型SAR ADC，包括比较器，其特征在于：
所述比较器的正端和负端各连接采样电容网络和共模调整电容网络，
其中，在采样阶段，所述采样电容网络和所述共模调整电容网络的上极板接第一电源电压，所述共模调整电容网络的下极板接第一电源电压，连接在所述比较器的正端和负端的采样电容网络的下极板分别接VIP和VIN，
在转换阶段，所述采样电容网络的下极板接第一电源电压或第二电源电压，所述共模调整电容网络的下极板接第二电源电压。
2.根据权利要求1所述的电容型SAR ADC，其特征在于，在采样阶段，所述采样电容网络和所述共模调整电容网络的上极板通过PMOS接第一电源电压。
3.根据权利要求1所述的电容型SAR ADC，其特征在于，
所述采样电容网络包括N+2个电容，电容值分别为：Cu、2Cu、…、2N+1Cu；
所述共模调整电容网络包括M+2个电容，电容值分别为：Cu、2Cu、…、2M+1Cu；
其中，Cu表示单位电容的大小，N和M为正整数。
4.根据权利要求3所述的电容型SAR ADC，其特征在于，所述采样电容网络还包括一个单位电容，具有电容值Cu。
5.根据权利要求4所述的电容型SAR ADC，其特征在于，共模电压通过下式表示：
其中，VDD表示第一电源电压，VSS表示第二电源电压，C1＝Cu+Cu+2Cu+…+2N+1Cu，C2＝Cu+2Cu+…+2M+1Cu。
6.根据权利要求1所述的电容型SAR ADC，其特征在于，所述转换阶段的共模电压的调整幅度依赖于所述采样电容网络与所述共模调整电容网络的电容的比例。
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