CN112272027A - 一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法，所述电容开关切换方法中的每次开关切换过程中均只有两种电平参与，因此极大程度上降低了逐次逼近逻辑电路和电容驱动电路的复杂度，同时，在前面两次的开关切换过程中不需要消耗能量，而且又是单边切换方法，进而有效降低了开关能量的消耗。而且，本发明中数模转换电容阵列分为完全相同的MSB电容阵列和LSB电容阵列两部分，MSB电容阵列采用二进制权重分裂电容阵列的形式，LSB电容阵列采用C‑2C电容结构，从而减小了电容的失配，提高了数模转换电容阵列的线性度，与传统的二进制加权数模转换器结构相比，该数模转换器及转换方法可减少75％的面积，降低96.89％的开关能耗。

Description

一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法。

背景技术

在自然界中的信号如光、温度、湿度等都是连续的模拟信号，而在电子世界里处理的是非连续的二进制数字信号，所以模数转换器(ADC)作为模拟信号和数字信号之间的桥梁将模拟信号转换为数字信号，常被应用于生物医疗、传感器和移动通信等领域。目前已经研究和发展了各种类型ADC，如SAR ADC、Pipeline ADC、Flash ADC、Sigma Delta ADC等。随着无线通信技术的快速发展，对ADC的功耗和面积的要求也越来越高，因此具有低功耗、低复杂度并且在精度和速度等方面也有良好表现的SAR ADC被应用于各种移动终端。电容型的SAR ADC匹配性好、功耗低并且不需要单独的采样保持电路，电容型的SAR ADC主要由数模转换器(DAC)电容阵列、比较器、逐次逼近寄存器逻辑电路组成，其功耗主要来自于DAC电容阵列的开关切换。近年来对DAC电容阵列开关切换方式的研究成为一个热点，提出了一系列的开关切换方式降低功耗和面积，与传统结构相比，Monotonic方案功耗减少了81.26％，Vcm-base方案功耗减少了87.54％，MCS方案功耗减少了93.7％，Tri-level方案功耗减少了96.89％，Vcm-base Monotonic方案功耗减少了97.66％,Hybrid方案功耗减少了98.83％，Yavari方案功耗减少了93.7％。Monotonic方案的共模电压偏移量较大，增大了比较器的设计难度，Vcm-based、Vcm-based Monotonic和MCS结构开关方案每次开关切换需要引入三个参考电平，从而使电容驱动电路更为复杂，Tri-level和Hybrid以及Vcm-based Monotonic结构开关方案对参考电平Vcm的精度要求较高，并且数字逻辑也比较复杂。

鉴于此，研究一种高能效、高精度、低复杂度并且能节省芯片面积的逐次逼近模数转换器的DAC电容阵列开关切换方法是本技术领域人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法，本发明中的电容开关切换过程中均只有两种电平参与，有效降低了电路的复杂度，而且在前面两次单边开关切换过程中均不需要消耗能量，大大降低了开关能量的损耗，与传统的二进制加权数模转换器结构相比较，该逐次逼近模数转换器及切换方法可以减少芯片75％的面积，降低96.89％的开关能耗。

为解决上述技术问题，本发明提供一种逐次逼近模数转换器，包括信号输入模块、数模转换电容阵列、比较器、逐次逼近逻辑电路，其中：

信号输入模块，用于将输入信号输送给数模转换电容阵列；

数模转换电容阵列，用于接收信号输入模块的输入信号并将输入信号输送至比较器中，其包括结构相同的MSB电容阵列和LSB电容阵列，MSB电容阵列为二进制权重分裂电容阵列，LSB电容阵列采用C-2C结构，数模转换电容阵列的上极板与信号输入模块的输出端连接，其下极板与参考电压连接；

比较器，其输入端与数模转换电容阵列的下极板连接以接收输入信号电压且将输出电压与输入电压之和量化成数字码；

逐次逼近逻辑电路，其输入端与比较器的输出端连接，基于数字码对数模转换电容阵列中的开关切换进行控制，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近数模转换器的每一位输出，直到整个量化结束。

优选地，所述参考电压包括两倍共模电压Verf、共模电压Vcm和接地电压Gnd，LSB电容阵列下极板与参考电压Verf或Vcm连接，MSB电容阵列下极板与参考电压Verf或Gnd连接。

优选地，所述MSB电容阵列的最后一位为C-2C结构。

一种逐次逼近模数转换器电容开关切换方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将信号输入模块输出端接入数模转换电容阵列的上极板，并使数模转换电容阵列的下极板分别与参考电压Gnd或Vref连接，然后对输入的输入信号进行采样，直至采样结束后闭合采样开关，通过比较器执行第一次比较并获取第一次比较结果；

S2、将步骤S1中得到的第一次比较结果输入逐次逼近逻辑电路中以获取数模转换器的对应数字码D_N，则获得MSB电容阵列最高有效位D₀，N表示模数转换器的位数，然后将MSB电容阵列的下极板中电压低的一端切换至参考电压Vref，LSB电容阵列下极板的参考电压保持不变，通过比较器执行第二次比较并获取第二次比较结果；

S3、根据比较器的第一次比较结果确定数模转换电容阵列的下极板的参考电压的连接方式，若D₀D₁＝00 or 11，则将数模转换电容阵列的下极板的参考电压切换至LSB电容阵列，此时第二电容C₂参考电压由Vref变为Gnd；若D₀D₁＝01 or 10，则将数模转换电容阵列的下极板的参考电压切换至MSB电容阵列，此时第三电容C_3,2参考电压由Gnd变为Vref；

S4、根据步骤S3中数模转换电容阵列的下极板的参考电压的连接方式利用比较器执行第三次比较以获取第三次比较结果；

S5、将第一电容C₁的参考电压由Vref切换为Vcm，通过比较器执行第四次比较获取第四次比较结果，从而获得LSB电容阵列的最低有效位D_N-1。

优选地，所述步骤S1中输入信号为差分输入信号。

优选地，所述比较器通过比较和逐级逼近算法对数模转换电容阵列的上极板的参考电压和下极板的参考电压进行比较进而获取其比较结果。

优选地，所述逐次逼近模数转换器电容开关切换方法中的能量消耗平均值可用公式表示为：

式(1)中，E_i表示模数转换器每次切换时获得一个数字码所消耗的能量，i表示模数转换器的切换序号，D_N表示第N个数字码。

与现有技术比较，本发明一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法中，每次开关切换过程中均只有两种电平参与，因此降低了逐次逼近逻辑电路和电容驱动电路的复杂度，同时，在前面两次的开关切换过程中是不需要消耗能量，并且又是单边切换方法，进而能够有效降低开关能量的消耗。而且，本发明中数模转换电容阵列分为完全相同的MSB电容阵列和LSB电容阵列两部分，MSB电容阵列采用二进制权重分裂电容阵列的形式，LSB电容阵列采用C-2C电容结构，从而减小了电容的失配，提高了数模转换电容阵列的线性度，与传统的二进制加权数模转换器结构相比，该数模转换器及转换方法可减少75％的面积，降低96.89％的开关能耗。

附图说明

图1是本发明一种逐次逼近模数转换器的结构示意图，

图2是本发明中数模转换电容阵列的示意图，

图3是本发明中逐次逼近模数转换器电容阵列的极板电压切换过程图，

图4是本发明中逐次逼近模数转换器电容阵列极板的电压切换过程波形图，

图5是本发明中一种逐次逼近模数转换器电容开关切换方法的流程图。

图中：1.信号输入模块，2.数模转换电容阵列，21.MSB电容阵列，22.LSB电容阵列，3.比较器，4.逐次逼近逻辑电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种逐次逼近模数转换器，包括信号输入模块1、数模转换电容阵列2、比较器3、逐次逼近逻辑电路4，其中：

信号输入模块1，用于将输入信号输送给数模转换电容阵列；

数模转换电容阵列2，用于接收信号输入模块1的输入信号并将输入信号输送至比较器3中，其包括结构相同的MSB电容阵列21和LSB电容阵列22，MSB电容阵列21为二进制权重分裂电容阵列，LSB电容阵列采用C-2C结构，数模转换电容阵列的上极板与信号输入模块的输出端连接，其下极板与参考电压连接；

比较器3，其输入端与数模转换电容阵列2的下极板连接以接收输入信号电压且将输出电压与输入电压之和量化成数字码；

逐次逼近逻辑电路4，其输入端与比较器3的输出端连接，基于数字码对数模转换电容阵列2中的开关切换进行控制，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近数模转换器的每一位输出，直到整个量化结束。

其中，所述参考电压包括两倍共模电压Verf、共模电压Vcm和接地电压Gnd，LSB电容阵列22下极板与参考电压Verf或Vcm连接，MSB电容阵列21下极板与参考电压Verf或Gnd连接。

其中MSB电容阵列21的最后一位也采用C-2C结构。能够进一步节省芯片面积，也可以进一步提升能源效率。

本实施例中，所述数模转换电容阵列2分为完全相同的MSB电容阵列21和LSB电容阵列22两部分，其中，MSB电容阵列21采用二进制权重分裂电容阵列的形式，LSB电容阵列22采用C-2C电容结构，从而能够减小电容的失配，提高数模转换电容阵列2的线性度，与传统的二进制加权数模转换器结构相比，该数模转换器及转换方法可减少75％的面积。

如图3-图5所示，一种逐次逼近模数转换器电容开关切换方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将信号输入模块1输出端接入数模转换电容阵列2的上极板，并使数模转换电容阵列2的下极板分别与参考电压Gnd或Vref连接，然后对输入的输入信号进行采样，直至采样结束后闭合采样开关，通过比较器3执行第一次比较并获取第一次比较结果；由于输入信号通过数模转换电容阵列2上极板传输至比较器3中，因此，不需要消耗能量而得到第一次比较结果，即在第一次比较过程中数模转换器的能量消耗E₁＝0；

S2、将步骤S1中得到的第一次比较结果输入逐次逼近逻辑电路4中以获取数模转换器的对应数字码D_N，则获得MSB电容阵列21最高有效位D₀，N表示模数转换器的位数，然后将MSB电容阵列21的下极板中电压低的一端切换至参考电压Vref，LSB电容阵列下极板的参考电压保持不变，通过比较器3执行第二次比较并获取第二次比较结果；此时，MSB电容阵列21的下极板中电压低的一端电压增大了Vref/2，且在此过程中并不需要消耗能量，即E₂＝0；

S3、根据比较器3的第一次比较结果确定数模转换电容阵列2的下极板的参考电压的连接方式，若D₀D₁＝00 or 11，则将数模转换电容阵列2的下极板的参考电压切换至LSB电容阵列22，此时第二电容C₂参考电压由Vref变为Gnd，电压高的一端减小1/4Vref；若D₀D₁＝01 or 10，则将数模转换电容阵列2的下极板的参考电压切换至MSB电容阵列21，此时第三电容C_3,2参考电压由Gnd变为Vref，电压低的一端增大1/4Vref,因此第三次比较所消耗能量E₃＝1/4CVref²；

S4、根据步骤S3中数模转换电容阵列2的下极板的参考电压的连接方式利用比较器3执行第三次比较以获取第三次比较结果；

S5、将第一电容C₁的参考电压由Vref切换为Vcm，电压高的一端减小1/8Vref。通过比较器3执行第四次比较获取第四次比较结果，从而获得LSB电容阵列22的最低有效位D_N-1，其中，当D₀D₁D₂＝000 or 111，其第四次比较所消耗的能量E₄＝-3/16Vref²,可以将消耗的负能量值视为0，因此这种状态不需要消耗能量；当D₀D₁D₂＝010 or 101，其第四次比较所消耗的能量E₄＝3/16Vref²，当D₀D₂＝00 or 11，其第四次比较所消耗的能量E₄＝1/16Vref²。

本实施例中，所述第一电容C₁的上极板连接参考电压Vcm或Vref，其下极板连接比较器的输入端；第二电容C₂的上极板连接参考电压Vref或Gnd,其下极板连接比较器的输入端；第三电容C₃的上极板连接参考电压Vref或Gnd,其下极板连接比较器的输入端。所述电容开关切换方法中每次开关切换过程均只有两种电平参与，逐次逼近逻辑电路4和电容驱动电路的复杂度，同时，在前面两次的开关切换过程中是不需要消耗能量，并且又是单边切换方法，进而能够有效降低开关能量的消耗，可降低96.89％的开关能耗。

优选地，所述步骤S1中输入信号为差分输入信号。

优选地，所述比较器3通过比较和逐级逼近算法对数模转换电容阵列2的上极板的参考电压和下极板的参考电压进行比较进而获取其比较结果。

优选地，所述逐次逼近模数转换器电容开关切换方法中的能量消耗平均值可用公式表示为：

式(1)中，E_i表示模数转换器每次切换时获得一个数字码所消耗的能量，i表示模数转换器的切换序号，D_N表示第N个数字码。

本实施例中，所述逐次逼近数模转换器的切换过程主要分为四个阶段：第一次比较、第二次比较、第三次比较和第四次比较，而每个阶段中均存在能量消耗，因此，通过模数转换器切换方法的能量消耗平均值公式可以计算出该切换方法的开关能耗，根据所计算出该切换方法的开关能耗可与传统的二进制加权数模转换器结构的开关能耗进行比较，我们可以得出本实施例中的逐次逼近数模转换器的开关切换方法能够大大降低开关的能耗。

以上对本发明所提供的一种逐次逼近模数转换器及电容开关切换方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种逐次逼近模数转换器，其特征在于，包括信号输入模块、数模转换电容阵列、比较器、逐次逼近逻辑电路，其中：

信号输入模块，用于将输入信号输送给数模转换电容阵列；

数模转换电容阵列，用于接收信号输入模块的输入信号并将输入信号输送至比较器中，其包括结构相同的MSB电容阵列和LSB电容阵列，MSB电容阵列为二进制权重分裂电容阵列，LSB电容阵列采用C-2C结构，数模转换电容阵列的上极板与信号输入模块输出端连接，其下极板与参考电压连接；

比较器，其输入端与数模转换电容阵列的下极板连接以接收输入信号电压且将输出电压与输入电压之和量化成数字码；

逐次逼近逻辑电路，其输入端与比较器的输出端连接，基于数字码对数模转换电容阵列中的开关切换进行控制，以逐次逼近方式从高到低不断产生逐次逼近数模转换器的每一位输出，直到整个量化结束。

2.如权利要求1所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述参考电压包括Verf、Vcm和Gnd，LSB电容阵列下极板与参考电压Verf或Vcm连接，MSB电容阵列下极板与参考电压Verf或Gnd连接。

3.如权利要求2所述的逐次逼近模数转换器，其特征在于，所述MSB电容阵列的最后一位为C-2C结构。

4.一种逐次逼近模数转换器电容开关切换方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将信号输入模块输出端接入数模转换电容阵列的上极板，并使数模转换电容阵列的下极板分别与参考电压Gnd或Vref连接，然后对输入的输入信号进行采样，直至采样结束后闭合采样开关，通过比较器执行第一次比较并获取第一次比较结果；

S2、将步骤S1中得到的第一次比较结果输入逐次逼近逻辑电路中以获取数模转换器的对应数字码D_N，则获得MSB电容阵列最高有效位D₀，N表示模数转换器的位数，然后将MSB电容阵列的下极板中电压低的一端切换至参考电压Vref，LSB电容阵列下极板的参考电压保持不变，通过比较器执行第二次比较并获取第二次比较结果；

S3、根据比较器的第一次比较结果确定数模转换电容阵列的下极板的参考电压的连接方式，若D₀D₁＝00 or 11，则将数模转换电容阵列的下极板的参考电压切换至LSB电容阵列，此时第二电容C₂参考电压由Vref变为Gnd；若D₀D₁＝01 or 10，则将数模转换电容阵列的下极板的参考电压切换至MSB电容阵列，此时第三电容C_3,2参考电压由Gnd变为Vref；

S4、根据步骤S3中数模转换电容阵列的下极板的参考电压的连接方式利用比较器执行第三次比较以获取第三次比较结果；

S5、将第一电容C₁的参考电压由Vref切换为Vcm，通过比较器执行第四次比较获取第四次比较结果，从而获得LSB电容阵列的最低有效位D_N-1。

5.如权利要求4所述的逐次逼近模数转换器电容开关切换方法，其特征在于，所述步骤S1中输入信号为差分输入信号。

6.如权利要求5所述的逐次逼近模数转换器电容开关切换方法，其特征在于，所述比较器通过比较和逐级逼近算法对数模转换电容阵列的上极板的参考电压和下极板的参考电压进行比较进而获取其比较结果。

7.如权利要求6所述的逐次逼近模数转换器电容开关切换方法，其特征在于，所述逐次逼近模数转换器电容开关切换方法中的能量消耗平均值可用公式表示为：

式(1)中，E_i表示模数转换器每次切换时获得一个数字码所消耗的能量，i表示模数转换器的切换序号，D_N表示第N个数字码。

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