CN112367084B

CN112367084B - 一种基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法

Info

Publication number: CN112367084B
Application number: CN202011321068.1A
Authority: CN
Inventors: 于奇; 余先银; 张中; 田明; 宁宁; 李靖
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112367084A

Abstract

一种基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法，SAR ADC的DAC模块包括两组DAC电容阵列，每组DAC电容阵列包括N‑2个二进制的量化电容和1个冗余电容。量化过程中DAC模块的两组DAC电容阵列对差分输入信号进行采样，采样结束后直接进行第一次比较，在前N‑2次比较中，每次比较后根据比较结果依次切换两组DAC电容阵列的最高位量化电容至最低位量化电容，切换最低位量化电容后进行第N‑1次比较，并根据第N‑1次比较结果切换两组DAC电容阵列中的一个冗余电容，切换冗余电容后进行第N次比较获得第N次比较结果。本发明基于共模电压的下极板采样结合终端电容复用技术，使得本发明的DAC电容阵列仅用N‑2位量化电容就可以进行N位量化，具有面积小和功耗低的特点。

Description

一种基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的量化方法，基于终端电容复用技术，能够实现低功耗。

背景技术

作为连接外部世界模拟信号和系统内部信号的桥梁，模拟数字转换器(ADC)广泛应用于多媒体、通信、生物医疗以及传感器控制等领域，不同特性的ADC适用于不同环境。近年来，便携式、可穿戴和可植入设备等快速发展，在这类系统中，芯片需工作在缺少电源或电源相当小的情况下，必须工作在超低功耗的状态，因此降低功耗以及减小体积显得尤为重要。

对于逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)，其主要功耗来源是电容阵列、比较器、SAR逻辑。CMOS工艺的发展进一步减小数字电路的功耗，而对于全动态比较器的采用，比较器的功耗主要由噪声和采样速率决定，因此电容阵列的功耗是决定SAR ADC转换器整体功耗的最主要因素。

用于实现逐次逼近算法的传统SAR ADC的开关电容，主要是通过电容衰减参考电压的方式，将电容阵列存储的总电荷进行二元划分。传统SAR ADC的量化方法中，DAC(数模转换)模块开关策略的主要优势在于工作原理简单，但随着模拟数字转换器的位数增加，由于采用二进制加权的方式，电容值以指数增加，一个N位差分数模转换器需要2^N个单位电容，导致面积增大，平均开关功耗快速增大。

发明内容

针对上述传统逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的量化过程中，由于数模转换器需要2^N个单位电容导致的面积大和开关功耗高的问题，本发明提出了一种逐次逼近型模数转换器的量化方法，采用基于共模电压的下极板采样，在采样复位后直接进行第一次比较；并且结合终端电容复用技术，将终端电容既作为冗余电容使用又作为量化电容使用，通过切换P端或N端的冗余电容进行量化得到最后一位输出码字；使得本发明DAC模块的DAC电容阵列仅用N-2位量化电容就可以进行N位量化，相较于传统量化方法使用的DAC电容阵列节省了75％面积，也降低了开关功耗。

本发明的技术方案为：

一种基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法，所述逐次逼近型模数转换器包括DAC模块和比较器，所述DAC模块包括两组DAC电容阵列，每组所述DAC电容阵列包括N-2个二进制的量化电容和1个冗余电容，将所述N-2个量化电容按照权重由低到高依次排列并编号为C₁、C₂、C₃、……、C_N-2，所述冗余电容的电容值等于所述量化电容C₁的电容值，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数；

第一组所述DAC电容阵列中的N-2个量化电容和1个冗余电容的上极板都连接比较器的正向输入端并通过开关后连接共模电压，其下极板分别通过对应N-1个开关后连接共模电压、参考高电压、参考地电压或正向输入信号；第二组所述DAC电容阵列中的N-2个量化电容和1个冗余电容的上极板都连接比较器的负向输入端并通过开关后连接共模电压，其下极板分别通过对应N-1个开关后连接共模电压、参考高电压、参考地电压或负向输入信号；所述共模电压的电压值为所述参考高电压的电压值的一半；

所述量化方法包括如下步骤：

步骤一、所述逐次逼近型模数转换器上电复位，所述DAC模块进行采样，将第一组所述DAC电容阵列中的N-2个量化电容和1个冗余电容的上极板都连接共模电压，其下极板都连接正向输入信号，将第二组所述DAC电容阵列中的N-2个量化电容和1个冗余电容的上极板都连接共模电压，其下极板都连接负向输入信号；

步骤二、所述DAC模块采样结束后，将所有量化电容和冗余电容的上极板都与共模电压断开连接，下极板都连接共模电压；

步骤三、进行N次比较依次获得所述逐次逼近型模数转换器的最高位输出码字至最低位输出码字；

进行前N-2次比较中，第i次比较的方法为：所述比较器比较其正向输入端信号和负向输入端信号并获得第i个比较结果，根据所述第i个比较结果切换两组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i，i∈[1，N-2]；

进行第N-1次比较和第N次比较的方法为：所述比较器比较其正向输入端信号和负向输入端信号并获得第N-1个比较结果，根据所述第N-1个比较结果切换两组所述DAC电容阵列中的冗余电容，随后所述比较器比较其正向输入端信号和负向输入端信号，获得第N个比较结果；

步骤四、将所述步骤三得到的N个比较结果作为所述逐次逼近型模数转换器的N位输出码字输出，量化结束。

具体的，所述步骤三中根据所述第i个比较结果切换两组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i的具体方法为：

当所述第i个比较结果表示所述比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，将第一组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压切换到连接参考地电压，将第二组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压切换到连接参考高电压；

当所述第i个比较结果表示所述比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，将第一组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压切换到连接参考高电压，将第二组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压切换到连接参考地电压。

具体的，所述步骤三中根据所述第N-1个比较结果切换两组所述DAC电容阵列中的冗余电容的具体方法为：

当所述第N-1个比较结果表示所述比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，将第一组所述DAC电容阵列中的冗余电容下极板由连接共模电压切换到连接参考地电压，第二组所述DAC电容阵列中的冗余电容下极板保持连接共模电压不变；

当所述第N-1个比较结果表示所述比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，将第一组所述DAC电容阵列中的冗余电容下极板保持连接共模电压不变，第二组所述DAC电容阵列中的冗余电容下极板由连接共模电压切换到连接参考地电压。

具体的，当所述比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，所述比较器输出信号为高电平；当所述比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，所述比较器输出信号为低电平。

本发明的有益效果为：本发明基于共模电压的下极板采样，在采样复位后直接进行第一次比较获得第1位输出码字，前N-2次的比较中在每次比较后根据比较结果依次切换N-2位量化电容后进行下一次比较，获得了第2至第N-1位输出码字，最后1位输出码字根据第N-1次比较结果切换P端或N端的一个冗余电容后进行比较获得，本发明基于终端电容复用技术，以N-2位量化电容的DAC电容阵列就实现了SAR ADC的N位量化，相较于传统SAR ADC中DAC电容阵列节省了75％面积，降低了开关功耗，从而从整体上降低了SAR ADC的功耗，减小了面积。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1为采用本发明提出的一种逐次逼近模数转换器量化方法的SAR ADC的系统框图。

图2为采用本发明提出的一种逐次逼近模数转换器量化方法的SAR ADC中，DAC模块的两组DAC电容阵列各个量化电容和冗余电容的连接示意图。

图3为实施例中采用本发明提出的一种逐次逼近模数转换器量化方法的SAR ADC的结构示意图。

图4为实施例中采用本发明提出的一种逐次逼近模数转换器量化方法进行五位量化的输入信号位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

如图1所示是能够实现本发明提出的量化方法的逐次逼近型模数转换器，包括DAC模块11、比较器12、数字逻辑控制模块13和输出模块14，其中DAC模块11用于对输入信号进行采样，其输出端连接比较器12的输入端；比较器12的比较结果一方面连接到数字逻辑控制模块13，另一方面连接到输出模块14，数字逻辑控制模块13根据比较器12的输出信号控制DAC模块11内DAC电容阵列中电容的切换，输出模块14根据比较器12的输出信号输出量化码字D<N:1>。

如图2所示是逐次逼近型模数转换器中DAC模块的内部结构示意图，输入信号为差分输入信号Vip和Vin，DAC模块包括两组DAC电容阵列，每一组DAC电容阵列都包括N-2位二进制的量化电容和1位冗余电容C_R1，N为模数转换器的位数，按权重由低到高给每组DAC电容阵列的N-2个量化电容并编号为C₁、C₂、C₃、……、C_N-2，每组DAC电容阵列中冗余电容C_R1与最低位的量化电容C₁的电容值相等，且冗余电容C_R1依次连接在DAC电容阵列量化电容C₁之后。

第一组DAC电容阵列，即P端的DAC电容阵列中的N-2个量化电容C₁至C_N-2以及冗余电容C_R1的上极板均连接比较器12的正向输入端(即P端)并通过开关接共模电压V_cm，下极板分别通过对应N-1个开关组成的开关阵列后连接共模电压V_cm、参考高电压V_ref、参考地电压Gnd或正向输入信号V_ip。第二组DAC电容阵列，即N端的DAC电容阵列中的N-2个量化电容C₁至C_N-2以及冗余电容C_R1的上极板均连接比较器12的负向输入端(即N端)并通过开关接共模电压V_cm，下极板分别通过对应N-1个开关组成的开关阵列后连接共模电压V_cm、参考高电压V_ref、参考地电压Gnd或负向输入信号V_in。共模电压V_cm的电压值为参考高电压V_ref的电压值的一半。

本发明提出的量化方法基于上述结构的逐次逼近型模数转换器，包括如下步骤：

步骤一、逐次逼近型模数转换器上电复位，DAC模块11进行采样，具体方法为：将第一组(即P端的)DAC电容阵列中的N-2个量化电容和1个冗余电容的上极板都连接共模电压V_cm，下极板都连接正向输入信号V_ip，将第二组(即N端的)DAC电容阵列中的N-2个量化电容和1个冗余电容的上极板都连接共模电压V_cm，其下极板都连接负向输入信号V_in。

步骤二、采样结束后，将两组DAC电容阵列中N-2个量化电容和一个冗余电容的上极板与共模电压V_cm断开，下极板都与差分输入信号V_ip、V_in断开并复位到共模电平V_cm。

步骤三、进行N次比较依次获得逐次逼近型模数转换器的最高位输出码字至最低位输出码字，具体如下：

进行第一次比较时，比较器12比较其正向输入端(即P端)信号和负向输入端(即N端)信号并获得第一个比较结果d₁，根据第一个比较结果d₁来切换两组DAC电容阵列中的最高位量化电容C_N-2。

随后进行第二次比较，比较器12比较其正向输入端信号和负向输入端信号并获得第二个比较结果d₂，根据第二个比较结果d₂来切换两组DAC电容阵列中的次高位量化电容C_N-3。

然后进行第三次比较，比较器12比较其正向输入端信号和负向输入端信号并获得第三个比较结果d₃，根据第三个比较结果d₃来切换两组DAC电容阵列中的量化电容C_N-4。

然后进行第四次比较，……。按照这样的方法，进行前N-2次比较获得了N-2个比较结果d₁至d_N-2，并在每次比较后根据当次比较结果依次切换了两组DAC电容阵列中的最高位量化电容C_N-2至最低位量化电容C₁。

在完成前N-2次比较后，进行第N-1次比较，比较器12比较其正向输入端信号和负向输入端信号并获得第N-1个比较结果d_N-1，根据第N-1个比较结果d_N-1切换两组DAC电容阵列中的冗余电容C_R1。冗余电容C_R1即终端电容，传统量化方法中终端电容不不用于量化，但本发明复用了终端电容，使得终端电容也参与量化过程，通过切换冗余电容C_R1得到最后一位输出码字，在切换冗余电容C_R1后进行第N次比较，比较器12比较其正向输入端信号和负向输入端信号并获得第N个比较结果d_N。

步骤四、量化结束，N个比较结果d₁d₂……d_N构成最后的输出码字。可见利用本发明的量化方法可以实现N-2位二进制开关量化电容阵列就得到了N位输出码字。

进一步地，当比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，令比较器输出信号为高电平；当比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，令比较器输出信号为低电平。

进一步地，在前N-2次比较中，根据第i个比较结果切换两组DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i的具体方法为，i∈[1，N-2]：当第i个比较结果d_i表示比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，即d_i＝1时，将第一组(即P端)DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压V_cm切换到连接参考地电压Gnd，将第二组(即N端)DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压V_cm切换到连接参考高电压V_ref；当第i个比较结果d_i表示比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，即d_i＝0时，将第一组(即P端)DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压V_cm切换到连接参考高电压V_ref，将第二组(即N端)DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i下极板由连接共模电压V_cm切换到连接参考地电压Gnd。

进一步地，冗余电容C_R1的切换方式为：当第N-1个比较结果d_N-1表示比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，即d_N-1＝1时，将第一组(即P端)DAC电容阵列中的冗余电容C_R1下极板由连接共模电压V_cm切换到连接参考地电压Gnd，第二组(即N端)DAC电容阵列中的冗余电容下极板保持连接共模电压V_cm不变；当第N-1个比较结果表示所述比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，即d_N-1＝0时，将第一组(即P端)DAC电容阵列中的冗余电容下极板保持连接共模电压V_cm不变，第二组(即N端)DAC电容阵列中的冗余电容C_R1下极板由连接共模电压V_cm切换到连接参考地电压Gnd。

下面以5位的逐次逼近型模数转换器为例进行说明，如图3所示，本实施例中每组DAC电容阵列包括3个量化电容以及1个冗余电容C_R1，3个量化电容权重由低到高的顺序编号为C₁、C₂、C₃，每组DAC电容阵列的冗余电容C_R1与量化电容C₁的电容值相等且排列在量化电容C₁之后。P端的DAC电容阵列中量化电容C₁、C₂、C₃和冗余电容C_R1上极板连接比较器的正向输入端并通过开关连接共模电压V_cm，下极板通过开关阵列分别连接共模电压V_cm、参考高电压V_ref、参考地电压Gnd、正向输入信号V_ip，N端的DAC电容阵列中量化电容C₁、C₂、C₃和冗余电容C_R1上极板连接比较器的负向输入端并通过开关连接共模电压V_cm，下极板通过开关阵列分别连接共模电压V_cm、参考高电压V_ref、参考地电压Gnd、负向输入信号V_in。

基于本实施例的基于终端电容复用式低功耗SAR ADC，在量化过程中，根据比较结果，切换电容阵列，得到量化结果。

假设输入信号为图4中的V_i。采样阶段，连接电容上极板的开关SW闭合，两组DAC电容阵列中各个电容的上极板连接共模电压V_cm，下极板分别连接差分输入信号；采样结束后，将两组DAC电容阵列中所有电容下极板复位为共模电压V_cm，且断开开关SW；则有：

DAC P端：V_P1＝2V_cm-V_ip

DAC N端：V_N1＝2V_cm-V_in

得到V_P1-V_N1＝-V_i，比较器进行第一次比较，得到第一次比较结果d₁＝0。

根据第一次比较结果d₁＝0，将P端最高位电容C₃下极板由共模电压V_cm切换到参考高电压V_ref，N端最高位电容C₃下极板由共模电压V_cm切换到参考地电压Gnd，则

DAC P端：

DAC N端：

得到

比较器进行第二次比较，得到第二次比较结果d₂＝0。

根据第二次比较结果d₂＝0，将P端次高位量化电容C₂下极板由共模电压V_cm切换到参考高电压V_ref，N端次高位量化电容C₂下极板由共模电压V_cm切换到参考地电压Gnd，则：

DAC P端：

DAC N端：

得到

比较器进行第三次比较，得到第三次比较结果d₃＝1。

根据第三次比较结果d₃＝1，将P端最低位量化电容C₁下极板由共模电压V_cm切换到参考地电压Gnd，N端最低位量化电容C₁下极板由共模电压V_cm切换到参考高电压V_ref，则：

DAC P端：

DAC N端：

得到

比较器进行第四次比较，得到第四次比较结果d₄＝0。

根据第四次比较结果d₄＝0，将P端冗余电容C_R1下极板保持连接共模电压V_cm不变，N端冗余电容C_R1下极板由共模电压V_cm切换到参考地电压Gnd，则：

DAC P端：

DAC N端：

得到

比较器进行第五次比较，得到第五次比较结果d₅＝0，完成本次量化，输出码字为00100。

综上所述，本发明提出的逐次逼近型模数转换器的量化方法，采用基于V_cm的下极板采样，在采样复位后直接进行第一次比较；此外，复用终端电容，最后一位码字通过仅切换P端或N端的冗余电容C_R1进行量化。本发明以N-2位量化电容进行N位量化，相较于传统的DAC电容阵列节省75％面积，降低了功耗。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法，所述逐次逼近型模数转换器包括DAC模块和比较器，所述DAC模块包括两组DAC电容阵列，每组所述DAC电容阵列包括N-2个二进制的量化电容和1个冗余电容，将所述N-2个量化电容按照权重由低到高依次排列并编号为C₁、C₂、C₃、……、C_N-2，所述冗余电容的电容值等于所述量化电容C₁的电容值，N为所述逐次逼近型模数转换器的位数；

其特征在于，所述量化方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法，其特征在于，所述步骤三中根据所述第i个比较结果切换两组所述DAC电容阵列中的量化电容C_N-1-i的具体方法为：

3.根据权利要求1或2所述的基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法，其特征在于，所述步骤三中根据所述第N-1个比较结果切换两组所述DAC电容阵列中的冗余电容的具体方法为：

4.根据权利要求3所述的基于终端电容复用的逐次逼近型模数转换器量化方法，其特征在于，当所述比较器的正向输入端信号大于其负向输入端信号时，所述比较器输出信号为高电平；当所述比较器的正向输入端信号小于其负向输入端信号时，所述比较器输出信号为低电平。