CN113014262A - 一种伪单端的低功耗模数转换器量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种伪单端的低功耗模数转换器量化方法。本发明通过改进电容切换策略，采样时所有电容下极板都接到GND，在采样结束以后，进行复位操作，将所有电容的下极板都接到VCM，从采样到复位的功耗为0。通过复位使得比较器输入端电压均提高了VCM，根据第一次的比较结果进行电容的切换，若d₁＝1，将P端所有电容均从VCM切向GND；若d₁＝0，将N端所有电容均从VCM切向GND，从而实现了第一步切换功耗也为0。每一次只会切换一个电容，不会出现多个量化电容同时进行切换的情况，从根本上降低了DAC部分的功耗，同时可以结合其他常规的低功耗设计方法，使得整体功耗进一步降低。

Description

一种伪单端的低功耗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，具体涉及一种伪单端的低功耗模数转换器量化方法，针对逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)可以实现以极低功耗切换电容，完成量化。

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。

传统的低功耗模数转换器的设计，常是通过降低内部电路的功耗来实现，比如在数字逻辑部分简化电路设计，减小电路规模，减少管子数目；采用最小尺寸的门电路，减小电流；采用更低功耗的动态比较器；DAC电容阵列部分尽可能地降低电容的大小等。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决传统逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)的量化过程中，由于模数转换器需要2^N个单位电容导致的面积大和开关功耗高的问题，本发明提出了一种伪单端的低功耗模数转换器量化方法，采用上极板采样，在采样复位后直接进行第一次比较；使得本发明DAC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。

本发明中，伪单端的低功耗模数转换器包括DAC、比较器、输出模块和数字逻辑控制模块。

DAC中包括两组差分电容阵列，每组差分电容阵列均包括N-2个量化电容和一个冗余电容，其中N为目标低功耗模数转换器的位数，N-2个量化电容按照权重从高到低依次排列并编号为C_N-2至C₁，冗余电容与量化电容C₁的电容值相等并连接在量化电容C₁之后。

一组差分电容阵列的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接输入信号Vip，其下极板分别通过一一对应的N-1个开关后连接共模电压或参考高电压或参考地电压；另一组差分电容阵列中的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接输入信号Vin，其下极板分别通过一一对应N-1个开关后连接共模电压或参考高电压或参考地电压；共模电压的电压值为参考高电压的电压值的二分之一。

比较器的输出端分别连接输出模块的输入端和数字逻辑控制模块的输入端；输出模块根据比较器提供输出信号完成量化码字的输出。

数字逻辑控制模块根据接收的比较器输出信号产生控制信号，并通过该控制信号控制DAC中电容阵列中的电容切换实现量化。

一种伪单端的低功耗模数转换器量化方法，包括以下步骤：

步骤1、将目标低功耗模数转换器上电复位，其DAC进行采样。

所述DAC中包括两组差分电容阵列，每组差分电容阵列均包括N-2个量化电容和一个冗余电容，其中N为目标低功耗模数转换器的位数，N-2个量化电容按照权重从高到低依次排列并编号为C_N-2至C₁，冗余电容与量化电容C₁的电容值相等并连接在量化电容C₁之后。两组差分电容阵列的量化电容和冗余电容的上极板均连接输入信号，量化电容和冗余电容的下极板均连接参考地电压。

步骤2、采样结束后，将两组差分电容阵列中量化电容和冗余电容的上极板均与输入信号断开，下极板均连接到共模电压，完成复位操作。同时比较器根据两组差分电容阵列的输出信号获得第一次比较结果d₁，根据第一次比较结果d₁指导电容的切换：如果d₁＝1，将P端电容阵列下极板均切到GND，N端不动；如果d₁＝0，将N端电容阵列下极板切到GND，P端电容不动。

所述DAC的两组差分电容阵列中N-2个量化电容和一个冗余电容的上极板连接比较器的输入端并由开关控制连接输入信号，下极板分别由各自的开关控制连接共模电压、参考高电压或参考地电压。

步骤3、进行步骤2第一次电容切换后，比较器12将进行第二次比较，得到第二次比较结果d₂，然后比较两次比较结果d₁和d₂。

d₁＝1时，如若d₂＝1，将N端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到VREF，P端不动；如果d₂＝0，将N端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到GND，P端不动。

d₁＝0时，若d₂＝1，将P端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到GND，N端不动；若d₂＝0，将P端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到VREF，N端不动。

步骤4、进行步骤3电容切换后，比较器进行下一次比较(即第三次比较)，得到第三次比较结果d₃，比较d₁和d₃。

如若d₁＝1，当d₃＝1时，把N端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到VREF，P端不动；当d₃＝0时，把N端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到GND，P端不动。

若d₁＝0，当d₃＝1时，把P端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到GND，N端不动；当d₃＝0时，把P端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到VREF，N端不动。

步骤5、以此类推：上一步电容切换后，比较器将进行下一次比较，得到下一个比较结果d_i，i≥4；

若d₁＝1，当d_i＝1时，将N端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到VREF，P端不动；当d_i＝0时，将N端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到GND，P端不动。

若d₁＝0，当d_i＝1时，将P端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到GND，N端不动；当d_i＝0时，将P端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到VREF，N端不动。

重复上述操作，直至电容切换到电容阵列的最低位的量化电容C₁，完成量化。

本发明改进了传统逐次逼近模数转换的量化方式，采样时所有电容下极板都接到GND，在采样结束以后，进行复位操作，将所有电容的下极板都接到VCM，从采样到复位的功耗为0。通过复位使得比较器输入端电压均提高了VCM，根据第一次的比较结果进行电容的切换，若d₁＝1，将P端所有电容均从VCM切向GND；若d₁＝0，将N端所有电容均从VCM切向GND，从而实现了第一步切换功耗也为0。而在常规的电容切换中，第一次切换电容所带来的功耗往往是最高的。以复位结束后的第一次比较结果作为参考，指导此后的电容切换方向，且每一次只会切换一个电容，不会出现多个量化电容同时进行切换的情况，进一步降低了功耗。与其他通过改进切换方式来降低功耗的量化方法相比，本发明规避了复杂的电容切换方式，以尽可能简单的方法切换电容，同时做到功耗尽量低。通过这样相对简单的量化方法也可使得数字逻辑电路便于设计，进一步降低这一部分的功耗。

综上所述，本发明通过改进电容切换策略，从根本上降低了DAC部分的功耗，同时可以结合其他常规的低功耗设计方法，使得整体功耗进一步降低。

附图说明

图1为本发明中伪单端的低功耗模数转换器的系统框图。

图2为本发明中两组DAC电容阵列的量化电容和冗余电容结构示意图。

图3为实施例中两组DAC电容阵列的结构示意图。

图4为实施例中DAC电容阵列切换方法和功耗的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示是能够利用本发明提出的方法进行量化的模数转换器结构框图，包括DAC11、比较器12、数字逻辑控制模块13、输出模块14。

其中DAC11用于对输入信号进行采样，其两个输出端连接比较器12的两个输入端；比较器12的输入端连接DAC的两组差分电容阵列。DAC包括两组差分电容阵列，每组差分电容阵列为N-2位二进制开关电容阵列以及冗余电容C_R，每组差分电容阵列的N-2个量化电容按照权重从高到低依次排列并编号为C_N-2至C₁，冗余电容与量化电容C₁的电容值相等并连接在量化电容C₁之后。

两组差分电容阵列中的量化电容C₁至C_N-2及冗余电容C_R上极板连接输入信号，下极板通过开关阵列分别连接共模电压、参考高电压或参考地电压，参考高电压和参考地电压均为模数转换器的参考电压，共模电压的电压值为参考高电压的电压值的一半。

比较器12的输出端连接数字控制逻辑模块13的输入端；数字逻辑控制模块13的输出端连接DAC11的控制输入端，控制DAC差分电容阵列中电容的切换。输出模块14的输出端打出量化码字。

下面以在双端结构中的模数转换器进行本发明的量化方法为例进行说明，模数转换器中DAC包括两组差分电容阵列，每组差分电容阵列包括N-2位二进制开关电容以及冗余电容C_R，N-2个量化电容按照权重从高到低依次排列并编号为C_N-2至C₁，冗余电容C_R与量化电容C₁的电容值相等并连接在量化电容C₁之后。

P端DAC差分电容阵列中量化电容和冗余电容上极板连接比较器的一个输入端和通过开关连接差分输入信号Vip，下极板通过开关阵列连接共模电压、参考高电压或参考地电压；N端DAC电容阵列中量化电容和冗余电容上极板连接比较器的另一个输入端和通过开关连接差分输入信号Vin，下极板通过开关阵列连接共模电压、参考高电压或参考地电压。

本实施例伪单端的低功耗模数转换器量化方法，包括以下步骤：

步骤1、将目标低功耗模数转换器上电复位，其DAC进行采样。

两组差分电容阵列(每组均包括N-2个二进制量化电容和一个冗余电容)的量化电容和冗余电容的上极板均连接输入信号，量化电容和冗余电容的下极板均连接参考地电压。

步骤2、采样结束后，将两组差分电容阵列中量化电容和冗余电容的上极板均与输入信号断开，下极板都复位到共模电平。同时比较器根据两组差分电容阵列的输出信号获得第一次比较结果d₁，根据第一次比较结果d₁来切换电容阵列：如果d₁＝1，将P端电容阵列下极板均切到GND，N端不动；如果d₁＝0，将N端电容阵列下极板切到GND，P端电容不动。

DAC的两组差分电容阵列中N-2个量化电容和一个冗余电容的上极板连接比较器的输入端并由开关控制连接输入信号，下极板分别由各自的开关控制连接共模电压、参考高电压或参考地电压。

步骤3、进行步骤2第一次电容切换后，比较器12将进行第二次比较，得到第二次比较结果d₂，然后比较两次比较结果d₁和d₂。

d₁＝1时，如若d₂＝1，将N端电容阵列最高位电容C_N-2从共模电压VCM切到参考高电压VREF，P端不动；如果d₂＝0，将N端电容阵列最高位电容C_N-2从共模电压VCM切到参考地电压GND，P端不动。

d₁＝0时，若d₂＝1，将P端电容阵列最高位电容C_N-2从共模电压VCM切到参考地电压GND，N端不动；若d₂＝0，将P端电容阵列最高位电容C_N-2从共模电压VCM切到参考高电压VREF，N端不动。

步骤4、进行步骤3电容切换后，比较器进行下一次比较，即第三次比较，得到第三次比较结果d₃，比较d₁和d₃。

如若d₁＝1，当d₃＝1时，把N端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到VREF，P端不动；当d₃＝0时，把N端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到GND，P端不动。

若d₁＝0，当d₃＝1时，把P端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到GND，N端不动；当d₃＝0时，把P端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到VREF，N端不动。

步骤5、以此类推：切换之后，比较器将进行下一次(即第四次)比较，得到第四个比较结果d₄，按照步骤4的方法进一步判断d₁和d₄并指导电容阵列中第三高位量化电容C_N-4的切换…按照这样的方法，直到切换完毕电容阵列的所有量化电容，完成量化。

下面以每组DAC电容阵列包括2个量化电容以及冗余电容C_R为例说明本发明的量化步骤：2个量化电容按权重由高到低的顺序编号为C₂、C₁，冗余电容C_R与量化电容C₁的电容值相等。冗余电容C_R排列在量化电容C₁之后。两组DAC阵列的量化电容和冗余电容分别连接在比较器的正向输入端和负向输入端，上极板连接到输入信号，下极板通过开关阵列分别连接共模电压、参考高电压或参考地电压，其中共模电压是参考高电压值的一半。

如图3所示，在采样的时候所有电容的上极板接到输入信号，下极板都接参考地电压。采样结束后，上极板控制连接输入信号的开关断开，将下极板切换到共模电压。比较器进行第一次比较，根据第一次比较结果进行电容阵列的切换。

如果第一次比较结果d₁＝1，将P端所有电容C₁、C₂、C_R的下极板接到参考地电压；如果d₁＝0，将N端所有电容C₁、C₂、C_R的下极板接到参考地电压。

切换后，比较器进行第二次比较，得到第二次比较结果d₂，比较d₁和d₂。如果d₁＝1，d₂＝1，将N端的C₂从共模电压切向参考高电压，P端不动；d₁＝1，d₂＝0，将N端的C₂从共模电压切向参考地电压，P端不动。如果d₁＝0，d₂＝1，将P端的C₂从共模电压切向参考地电压，N端不动；d₁＝0，d₂＝0，将P端的C₂从共模电压切向参考高电压，N端不动。

切换后，比较器进行第三次比较，得到第三次比较结果d₃，比较d₁和d₃。如果d₁＝1，d₃＝1，将N端的C₁从共模电压切向参考高电压，P端不动；d₁＝1，d₃＝0，将N端的C₁从共模电压切向参考地电压，P端不动。如果d₁＝0，d₃＝1，将P端的C₁从共模电压切向参考高电压，N端不动；d₁＝0，d₃＝0，将P端的C₁从共模电压切向参考高电压，N端不动。完成本次量化。

图4为实施例中DAC电容阵列切换方法和功耗的示意图。可见本发明提出了一种以极低功耗切换电容阵列的量化方法，通过上极板采样减少了电容阵列的电容数量，用N-1位电容去量化N位。从采样到复位阶段，以及第一次电容切换的功耗均为0。同时，在量化过程中使用单端的切换方式，且每次只需切一位量化电容，进一步减小了每一步量化的功耗。相对于传统的逐次逼近型模数转化器，本发明在量化过程中，电容切换带来的功耗显著降低，更加适用于传感器信号和生物电信号的低功耗模数转换设计。

综上所述，本发明通过改进电容切换策略，采样时所有电容下极板都接到GND，在采样结束以后，进行复位操作，将所有电容的下极板都接到VCM，从采样到复位的功耗为0。通过复位使得比较器输入端电压均提高了VCM，根据第一次的比较结果进行电容的切换，若d₁＝1，将P端所有电容均从VCM切向GND；若d₁＝0，将N端所有电容均从VCM切向GND，从而实现了第一步切换功耗也为0。每一次只会切换一个电容，不会出现多个量化电容同时进行切换的情况，从根本上降低了DAC部分的功耗，同时可以结合其他常规的低功耗设计方法，使得整体功耗进一步降低。

Claims (1)

1.一种伪单端的低功耗模数转换器量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将目标低功耗模数转换器上电复位，其DAC进行采样；

所述DAC中包括两组差分电容阵列，每组差分电容阵列均包括N-2个量化电容和一个冗余电容，其中N为目标低功耗模数转换器的位数，N-2个量化电容按照权重从高到低依次排列并编号为C_N-2至C₁，冗余电容与量化电容C₁的电容值相等并连接在量化电容C₁之后；两组差分电容阵列的量化电容和冗余电容的上极板均连接输入信号，量化电容和冗余电容的下极板均连接参考地电压；

步骤2、采样结束后，将两组差分电容阵列中量化电容和冗余电容的上极板均与输入信号断开，下极板均连接到共模电压，完成复位操作；同时比较器根据两组差分电容阵列的输出信号获得第一次比较结果d₁，根据第一次比较结果d₁指导电容的切换：如果d₁＝1，将P端电容阵列下极板均切到GND，N端不动，如果d₁＝0，将N端电容阵列下极板切到GND，P端电容不动；

所述DAC的两组差分电容阵列中N-2个量化电容和一个冗余电容的上极板连接比较器的输入端并由开关控制连接输入信号，下极板分别由各自的开关控制连接共模电压、参考高电压或参考地电压；

步骤3、进行步骤2第一次电容切换后，比较器12将进行第二次比较，得到第二次比较结果d₂，然后比较两次比较结果d₁和d₂；

d₁＝1时，如若d₂＝1，将N端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到VREF，P端不动；如果d₂＝0，将N端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到GND，P端不动；

d₁＝0时，若d₂＝1，将P端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到GND，N端不动；若d₂＝0，将P端电容阵列最高位电容C_N-2从VCM切到VREF，N端不动；

步骤4、进行步骤3电容切换后，比较器进行下一次比较，即第三次比较，得到第三次比较结果d₃，比较d₁和d₃；

如若d₁＝1，当d₃＝1时，把N端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到VREF，P端不动；当d₃＝0时，把N端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到GND，P端不动；

若d₁＝0，当d₃＝1时，把P端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到GND，N端不动；当d₃＝0时，把P端电容阵列的第二高位电容C_N-3从VCM切到VREF，N端不动；

步骤5、以此类推：上一步电容切换后，比较器将进行下一次比较，得到下一个比较结果d_i，i≥4；

若d₁＝1，当d_i＝1时，将N端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到VREF，P端不动；当d_i＝0时，将N端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到GND，P端不动；

若d₁＝0，当d_i＝1时，将P端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到GND，N端不动；当d_i＝0时，将P端电容阵列的电容C_N-i从VCM切到VREF，N端不动；

重复上述操作，直至电容切换到电容阵列的最低位的量化电容C₁，完成量化。

Images