CN113114263B - Sar模数转换器 - Google Patents

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CN113114263B CN202110295170.7A CN202110295170A CN113114263B CN 113114263 B CN113114263 B CN 113114263B CN 202110295170 A CN202110295170 A CN 202110295170A CN 113114263 B CN113114263 B CN 113114263B
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Abstract

本申请提供一种SAR模数转换器，所述SAR模数转换器包括电容性数模转换器和控制电路。所述电容性数模转换器包括n位，用于将所述n位中的第k位连接至第一参考电压以提供第一模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k‑1)位将所述第一模拟信号转换为第一数字码d1；将所述n位中的第k位连接至第二参考电压以提供第二模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k‑1)位将所述第二模拟信号转换为第二数字码d0；其中k为1到n的整数；所述控制电路用于根据所述第一数字码和所述第二数字码估算所述第k位的权重wgt(k)，其中，wgt(k)＝d1‑d0。本申请的实施例能够实现高精度的模数转换，可以将数字权重对应到真实的电容权重，从而提升模数转换器的线性度。

Description

SAR模数转换器
技术领域
本申请实施例涉及模拟电路技术领域，尤其涉及一种SAR模数转换器。
背景技术
逐次逼近寄存器模数转换器(Successive Approximation Register Analog toDigital Converter，SAR ADC)是一种低功耗且高精度的模数转换器，可以将模拟信号转换为对应的数字信号，其内部核心的电容式数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)匹配误差决定SAR ADC的线性度性能指标。
在高解析度的要求下，数位校正是一种提升线性度的方式。图1所示为一种用于上板取样(top plate sampling)方式的SAR ADC电路，其中上板取样开关的非理想特性对于较高分辨率模数转换器而言具有一定的限制性。当CDAC电容权重和电容值有误差时，SARADC的模拟数字对应关系就会出现线性度失真。
发明内容
鉴于上述内容，有必要提供一种SAR模数转换器，本申请实施例可以将数字权重对应到真实的电容权重，从而提升模数转换器的线性度。
本申请的实施例提供一种SAR模数转换器，所述SAR模数转换器包括电容性数模转换器和控制电路：所述电容性数模转换器包括n位，用于将所述n位中的第k位连接至第一参考电压以提供第一模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k-1)位将所述第一模拟信号转换为第一数字码d1；将所述n位中的第k位连接至第二参考电压以提供第二模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k-1)位将所述第二模拟信号转换为第二数字码d0；其中k为1到n的整数；所述控制电路用于根据所述第一数字码d1和所述第二数字码d0估算所述第k位的权重wgt(k)；
其中，wgt(k)＝d1-d0。
在一种可能的设计中，所述控制电路用于确定所述第一数字码和所述第二数字码之间差值来表示所述第k位的权重。
在一种可能的设计中，所述控制电路还用于根据所述第k位的已估算的权重校正第k+1位权重至n-1位元。
在一种可能的设计中，所述SAR模数转换器还包括比较器，所述比较器用于将取样后的模拟输入信号连续地与多个参考电压进行比较以产生比较结果序列，并将所述比较结果序列发送至所述控制电路。
在一种可能的设计中，所述电容性数模转换器包括第一输入节点，所述第一输入节点用于接收第一模拟输入信号。
在一种可能的设计中，所述电容性数模转换器包括第二输入节点，所述第二输入节点用于接收第二模拟输入信号。
在一种可能的设计中，所述电容性数模转换器包括第一电容器阵列，所述第一电容器阵列包括第一采样开关和第一电容器组；所述第一电容器组包括第一电容器和第二电容器；所述第一电容器的第一端连接所述第一采样开关的第一端，所述第一电容器的第二端通过第一开关连接于第一参考电压或者第二参考电压；所述第一电容器的第二端还通过第二开关连接于第一输入节点；所述第二电容器的第一端连接第一采样开关的第一端，所述第二电容器的第二端可以通过第三开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第二电容器的第二端还可以通过第四开关连接于第一输入节点。
在一种可能的设计中，所述第一电容器阵列还包括第二电容器组；所述第二电容器组包括第三电容器和第四电容器；所述第三电容器的第一端连接第一采样开关的第二端，所述第三电容器的第二端通过第五开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第三电容器的第二端还通过第六开关连接于第二输入节点，所述第四电容器的第一端连接第一采样开关的第二端，所述第四电容器的第二端通过第七开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第四电容器的第二端还通过第八开关连接于第二输入节点。
在一种可能的设计中，所述电容性数模转换器包括第二电容器阵列，所述第二电容器阵列包括第二采样开关和第三电容器组；所述第三电容器组包括第五电容器和第六电容器；所述第五电容器的第一端连接所述第二采样开关的第一端，所述第五电容器的第二端通过第九开关连接于第一参考电压或者第二参考电压；所述第五电容器的第二端还通过第十开关连接于第一输入节点；所述第六电容器的第一端连接第二采样开关的第一端，所述第六电容器的第二端可以通过第十一开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第六电容器的第二端还可以通过第十二开关连接于第一输入节点。
在一种可能的设计中，所述第二电容器阵列包括第二采样开关和第四电容器组；所述第四电容器组包括第七电容器和第八电容器；所述第七电容器的第一端连接第二采样开关的第二端，所述第七电容器的第二端可以通过第十三开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第七电容器的第二端还可以通过第十四开关连接于第二输入节点，所述第八电容器的第一端连接第二采样开关的第二端，所述第八电容器的第二端可以通过第十五开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第八电容器的第二端还可以通过第十六开关连接于第二输入节点。
本申请实施例提供的SAR模数转换器，通过采用底板采样方式进行模数转换，能够实现高精度的模数转换，可以将数字权重对应到真实的电容权重，从而提升模数转换器的线性度。
附图说明
图1为现有的SAR模数转换器的电路图。
图2为本申请一实施方式的SAR模数转换器的方框图。
图3为本申请一实施方式的SAR模数转换器的电路图。
主要元件符号说明
SAR模数转换器 100
电容性数模转换器 10
LSB阵列 11
MSB阵列 12
比较器 20
控制电路 30
SAR逻辑电路 32
校准控制电路 34
第一输入节点 101
第二输入节点 102
采样开关 VCM1、VCM2
桥电容器 CB1、CB2
电容器 111-114、121-124、131-134、141-144
开关 111a-114a、121a-124a、131a-134a、141a-144a、 111b-114b、121b-124b、131b-134b、141b-144b、如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请实施例中，“第一”、“第二”等词汇，仅是用于区别不同的对象，不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。例如，第一应用、第二应用等是用于区别不同的应用，而不是用于描述应用的特定顺序，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
请参阅图2，图2所示为本申请实施例提供的一种逐次逼近寄存器模数转换器(Successive Approximation Register Analog to Digital Converter，SAR ADC)100的示意图。
可以理解，本申请实施例可以与SAR ADC的校正有关。在一些应用场景中，所述SARADC可以在模拟输入信号被取样后，利用二分搜索算法(Binary Search Algorithm)连续地与多个参考电位进行比较。
如图2所示，以下将结合附图和实际应用场景，对本申请实施例提供的SAR模数转换器100进行举例说明。
本实施例中，所述SAR模数转换器100可以包括电容性数模转换器(CapacitiveDigital-to-Analog-Converter，CDAC)10、比较器20和控制电路30。
可以理解，在一种可能的设计中，所述控制电路30可以包括SAR逻辑电路32和校准控制电路34。
可以理解，在一个实施例中，所述SAR模数转换器100可以接收模拟输入信号Vip/Vin，并输出数字码Dout[n-1:0]，其中数字码Dout[n-1:0]中的位(bit)n-1为最高有效位(Most Significant Bit，MSB)。
在具体的实现过程中，所述电容性数模转换器10可以对模拟输入信号Vip/Vin进行取样，所述比较器20可以利用二分搜索算法将取样后的模拟输入信号连续地与多个参考电位进行比较后产生比较结果序列，并将该比较结果序列发送至所述控制电路30。
所述SAR逻辑电路32可以存储比较结果序列，所述校准控制电路34可以在完成模数转换后将该比较结果序列作为数字码Dout[n-1:0]输出，所述校准控制电路34可以用于控制所述电容性数模转换器10的正常操作及校正。
本实施例中，所述电容性数模转换器10可以是产生参考电压电位，以将模拟输入信号Vip和Vin的差值(Vip-Vin)转换为数字数字码Dout[n-1:0]。由此，需要校正所述电容性数模转换器10，以决定电容器组中的每个电容器的正确的权重或者电容值。
在校正过程中，通过计算每个电容器的正确的权重或者电容值，并在后续的ADC操作中，所计算的权重或者电容值将被用于产生已经补偿的数字码Dout[n-1:0]，其详细的校正过程将于图3中所述的电路图进行说明。
请参阅图3，图3为本申请提供的SAR模数转换器100的电路图。
如图3所示，本申请的一个实施例中，所述电容性数模转换器10可以包括输入节点101和输入节点102。所述输入节点101可以用于接收模拟输入信号Vip，所述输入节点102可以用于接收模拟输入信号Vin。
本实施例中，所述电容性数模转换器10可以包括两个电容器阵列，即电容器阵列可以为4位LSB阵列11和4位MSB阵列12。
具体地，所述LSB阵列11可以包括采样开关VCM1、第一上电容器组(uppercapacitor banks)和第一下电容器组(lower capacitor banks)。
其中，第一上电容器组包括电容器111、电容器121、电容器131和电容器141。第一下电容器组包括电容器113、电容器123、电容器133和电容器143。
可以理解，电容器111、电容器121、电容器131和电容器141可以分别具有权重电容值1C、1C、2C和4C。其中，C为一个公共电容单位。类似地，电容器113、电容器123、电容器133和电容器143可以分别具有权重电容值1C、1C、2C和4C。
电容器111的第一端连接采样开关VCM1的第一端，电容器111的第二端可以通过开关111a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器111的第二端还可以通过开关111b连接于输入节点101。电容器121的第一端连接采样开关VCM1的第一端，电容器121的第二端可以通过开关121a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器121的第二端还可以通过开关121b连接于输入节点101。
电容器131的第一端连接采样开关VCM1的第一端，电容器131的第二端可以通过开关131a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器131的第二端还可以通过开关131b连接于输入节点101。电容器141的第一端连接采样开关VCM1的第一端，电容器141的第二端可以通过开关141a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器141的第二端还可以通过开关141b连接于输入节点101。
电容器113的第一端连接采样开关VCM1的第二端，电容器113的第二端可以通过开关113a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器113的第二端还可以通过开关113b连接于输入节点102。电容器123的第一端连接采样开关VCM1的第二端，电容器123的第二端可以通过开关123a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器123的第二端还可以通过开关123b连接于输入节点102。
电容器133的第一端连接采样开关VCM1的第二端，电容器133的第二端可以通过开关133a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器133的第二端还可以通过开关133b连接于输入节点102。电容器143的第一端连接采样开关VCM1的第二端，电容器143的第二端可以通过开关143a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器143的第二端还可以通过开关143b连接于输入节点102。
具体地，所述MSB阵列12可以包括采样开关VCM2、第二上电容器组(uppercapacitor banks)和第二下电容器组(lower capacitor banks)。
其中，第二上电容器组包括电容器112、电容器122、电容器132和电容器142。第二下电容器组包括电容器114、电容器124、电容器134和电容器144。
可以理解，电容器112、电容器122、电容器132和电容器142可以分别具有权重电容值4C、2C、1C和0.5C。其中，C为一个公共电容单位。类似地，电容器114、电容器124、电容器134和电容器144可以分别具有权重电容值4C、2C、1C和0.5C。
电容器112的第一端连接采样开关VCM2的第一端，电容器112的第二端可以通过开关112a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器112的第二端还可以通过开关112b连接于输入节点101。电容器122的第一端连接采样开关VCM2的第一端，电容器122的第二端可以通过开关122a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器122的第二端还可以通过开关122b连接于输入节点101。
电容器132的第一端连接采样开关VCM2的第一端，电容器132的第二端可以通过开关132a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器132的第二端还可以通过开关132b连接于输入节点101。电容器142的第一端连接采样开关VCM2的第一端，电容器142的第二端可以通过开关142a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器142的第二端还可以通过开关142b连接于输入节点101。
可以理解，本实施例中，电容器112的第一端、电容器122的第一端、电容器132的第一端和电容器142的第一端均连接于桥电容器CB1的第一端，电容器111的第一端、电容器121的第一端、电容器131的第一端和电容器141的第一端均连接于桥电容器CB1的第二端。
电容器114的第一端连接采样开关VCM2的第二端，电容器114的第二端可以通过开关114a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器114的第二端还可以通过开关114b连接于输入节点102。电容器124的第一端连接采样开关VCM2的第二端，电容器124的第二端可以通过开关124a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器124的第二端还可以通过开关124b连接于输入节点102。
电容器134的第一端连接采样开关VCM2的第二端，电容器134的第二端可以通过开关134a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器134的第二端还可以通过开关134b连接于输入节点102。电容器144的第一端连接采样开关VCM2的第二端，电容器144的第二端可以通过开关144a连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器144的第二端还可以通过开关144b连接于输入节点102。
可以理解，本实施例中，电容器114的第一端、电容器124的第一端、电容器134的第一端和电容器144的第一端均连接于桥电容器CB2的第一端，电容器113的第一端、电容器123的第一端、电容器133的第一端和电容器143的第一端均连接于桥电容器CB2的第二端。
进一步地，电容器112的第一端、电容器122的第一端、电容器132的第一端和电容器142的第一端均连接于所述比较器20的正输入端。电容器114的第一端、电容器124的第一端、电容器134的第一端和电容器144的第一端连接于所述比较器20的负输入端。所述比较器20的输出端连接于SAR逻辑电路32。
可以理解，本申请实施例中的SAR模数转换器100在转换相位时，相同CDAC位的两个电容器的操作是互补的。举例而言，在转换相位，若一个电容器连接于第二参考电压Vgnd，其相同CDAC位的对应的电容器则连接第一参考电压Vr。若一个电容器连接于第一参考电压Vr，其相同CDAC位的对应的电容器则连接第二参考电压Vgnd。
本申请实施例中的电容性数模转换器10可以采用底板(bottom plate)采样的电路配置。可以理解，电容器的底板对模拟输入信号Vip/Vin进行取样，且电容器的顶板可以被复位为参考电压Vr。
举例说明，当模拟输入信号Vip/Vin输入到电容阵列时，所述控制电路30控制所述采样开关VCM1和采样开关VCM2断开。此时，电容器112连接第一参考电压Vr，电容器122、电容器132、电容器142、电容器141、电容器131、电容器121、电容器111均连接于第二参考电压Vgnd。电容器114连接第二参考电压Vgnd，电容器124、电容器134、电容器144、电容器143、电容器133、电容器123、电容器113均连接于第一参考电压Vr。由此，所述控制电路30可以根据所述比较器20的输出结果控制电容器112来选择性地连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器114则是和电容器112所选择的参考电源相反。接着，电容器122从第二参考电压Vgnd切换到第一参考电压Vr，电容器132、电容器142、电容器141、电容器131、电容器121、电容器111均连接于第二参考电压Vgnd。电容器124从第一参考电压Vr切换到第二参考电压Vgnd，电容器134、电容器144、电容器143、电容器133、电容器123、电容器113均连接于第一参考电压Vr。
由此，所述控制电路30可以根据所述比较器20的输出结果控制电容器122来选择性地连接于第一参考电压Vr或者第二参考电压Vgnd。电容器124则是和电容器122所选择的参考电源相反。
类似地，上述切换顺序可以从所述电容性数模转换器10的最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)。
本申请实施例中，所述比较器20可以将模拟输入信号Vip/Vin的差值与逐次产生的参考电压电位作比较，以逼近模拟输入信号Vip/Vin的数字转换。所述控制电路30可以控制输入节点101、输入节点102、电容性数模转换器10、比较器20，以完成电路校正以及采样和转换操作。例如，所述控制电路30可以控制采样开关VCM1、采样开关VCM2和电容器阵列(MSB阵列和LSB阵列)中的开关的状态。
在一个实施例中，校正过程可以补偿电容性数模转换器10电容值误差。可以理解，校正过程可以开始于制造测试，或者在开机后自动地执行。
所述电容性数模转换器10可以包括n位，将所述n位中的第k位连接至第一参考电压以提供第一模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k-1)位将第一模拟信号转换为第一数字码，将所述n位中的第k位连接至第二参考电压以提供第二模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k-1)位将第二模拟信号转换为第二数字码。
所述控制电路30用于根据所述第k位的已估算的权重校正第k+1位权重至n-1位元。
举例说明，若校正第K级电容器Ck的权重，电容器Ck连接到第一参考电压Vr，电容Ck+1、电容Ck+2、…、电容器Cn-1均连接到第二参考电压Vgnd，此时，SAR模数转换器解出的第一数字码为d1。接着，将电容器Ck连接到第二参考电压Vgnd。此时，SAR模数转换器解出的第二数字码为d0。
由此，本实施例中的所述SAR模数转换器100可以定义第K级电容器Ck的权重为wgt(k)，即wgt(k)＝d1-d0。基于上述的方法，所述SAR模数转换器100可以依序定义电容Ck+1、电容Ck+2、…、电容器Cn-1的权重，即可以依序定义wgt(k)、wgt(k+1)、…、wgt(N-1)。
在校正过程结束时，所述SAR模数转换器100会将所有CDAC位的已计算权重存储在SAR逻辑电路32中。
由此，采用本申请实施例的SAR模数转换器100，能够实现高精度的模数转换，还可以将数位权重对应到真实的电容权重，从而可以提升模数转换器的线性度。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种SAR模数转换器，其特征在于，所述SAR模数转换器包括电容性数模转换器和控制电路：
所述电容性数模转换器包括n位，用于将所述n位中的第k位连接至第一参考电压以提供第一模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k-1)位将所述第一模拟信号转换为第一数字码d1；将所述n位中的第k位连接至第二参考电压以提供第二模拟信号，并利用次有效于所述第k位的第0位到第(k-1)位将所述第二模拟信号转换为第二数字码d0；其中k为1到n的整数；
所述控制电路用于根据所述第一数字码d1和所述第二数字码d0估算所述第k位的权重wgt(k)；
其中，wgt(k)＝d1-d0；
所述电容性数模转换器包括第一输入节点和第二输入节点；所述电容性数模转换器包括第一电容器阵列，所述第一电容器阵列包括第一采样开关、第一电容器组和第二电容器组；所述第一电容器组包括第一电容器和第二电容器；所述第二电容器组包括第三电容器和第四电容器；所述第一电容器的第一端连接所述第一采样开关的第一端，所述第一电容器的第二端通过第一开关连接于第一参考电压或者第二参考电压；所述第一电容器的第二端还通过第二开关连接于第一输入节点；所述第二电容器的第一端连接第一采样开关的第一端，所述第二电容器的第二端可以通过第三开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第二电容器的第二端还可以通过第四开关连接于第一输入节点；所述第三电容器的第一端连接第一采样开关的第二端，所述第三电容器的第二端通过第五开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第三电容器的第二端还通过第六开关连接于第二输入节点，所述第四电容器的第一端连接第一采样开关的第二端，所述第四电容器的第二端通过第七开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第四电容器的第二端还通过第八开关连接于第二输入节点；
当模拟输入信号输入到所述第一电容器阵列时，所述控制电路控制所述第一采样开关断开，所述第一电容器和所述第二电容器均连接于第二参考电压，所述第三电容器和所述第四电容器均连接于第一参考电压；
所述电容性数模转换器采用底板采样的电路配置；
所述电容性数模转换器包括第二电容器阵列，所述第二电容器阵列包括第二采样开关和第三电容器组、第四电容器组；所述第三电容器组包括第五电容器和第六电容器；所述第四电容器组包括第七电容器和第八电容器；所述第二采样开关连接于所述第三电容器组与所述第四电容器组之间，所述第一采样开关连接于所述第一电容器组与所述第二电容器组之间。
2.如权利要求1所述的SAR模数转换器，其特征在于，
所述控制电路还用于根据所述第k位的已估算的权重校正第k+1位权重至n-1位元。
3.如权利要求1所述的SAR模数转换器，其特征在于，
所述SAR模数转换器还包括比较器，所述比较器用于将取样后的模拟输入信号连续地与多个参考电压进行比较以产生比较结果序列，并将所述比较结果序列发送至所述控制电路。
4.如权利要求3所述的SAR模数转换器，其特征在于，
所述第一输入节点用于接收第一模拟输入信号。
5.如权利要求4所述的SAR模数转换器，其特征在于，
所述第二输入节点用于接收第二模拟输入信号。
6.如权利要求5所述的SAR模数转换器，其特征在于，
所述第五电容器的第一端连接所述第二采样开关的第一端，所述第五电容器的第二端通过第九开关连接于第一参考电压或者第二参考电压；所述第五电容器的第二端还通过第十开关连接于第一输入节点；所述第六电容器的第一端连接第二采样开关的第一端，所述第六电容器的第二端可以通过第十一开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第六电容器的第二端还可以通过第十二开关连接于第一输入节点。
7.如权利要求6所述的SAR模数转换器，其特征在于，
所述第七电容器的第一端连接第二采样开关的第二端，所述第七电容器的第二端可以通过第十三开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第七电容器的第二端还可以通过第十四开关连接于第二输入节点，所述第八电容器的第一端连接第二采样开关的第二端，所述第八电容器的第二端可以通过第十五开关连接于第一参考电压或者第二参考电压，所述第八电容器的第二端还可以通过第十六开关连接于第二输入节点。
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