CN113676183B - 一种基于两步式的高精度低功耗sar adc - Google Patents
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Abstract
本发明属于模拟集成电路设计领域,具体涉及一种基于两步式的高精度低功耗SAR ADC。本发明在速度方面,低精度的辅助SAR ADC所需电容面积较小,所需建立时间更短,可以达到较快的转换速度,且主ADC高位无需建立,直接加载辅助ADC的码值,有效的提高了整体ADC的工作速度,从而提高了采样率。在功耗方面,由于辅助ADC提前于主ADC进行量化,不仅减少了主ADC的电容切换次数;同时把主ADC的比较器电源电压从VH降低为VL;此外,主ADC采用Vcm‑based结构,本应使用2N个单位电容降低为2M+1个单位电容的数量级,这些优势大大降低了整体的功耗。使得本发明ADC架构的优值高于其他高精度SAR ADC。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域,具体涉及一种基于两步式的高精度低功耗SAR ADC。
背景技术
模数转换器(ADC)是模拟信号与数字信号沟通的桥梁,使得外界连续的模拟信号转化为计算机可存储并处理的数字信号。是当今数字化世界中不可或缺的一部分。其长期以来被广泛应用于通信、医疗、仪器仪表、图像和音频等领域。随着CMOS工艺尺寸的不断缩小以及通讯信息领域的快速发展,ADC的主要发展方向为追求更高的精度、更快的速度和更低功耗等方面。
然而ADC的速度和精度这两个重要性能指标是相互制约的,需要在设计时折衷考虑。为了适应不同的应用环境,已研究出多种不同性能特点的ADC结构,其类型主要有快闪型(Flash)ADC、流水线(Pipeline)ADC、过采样(Σ-Δ)ADC、逐次逼近(SAR)ADC。其中FlashADC的速度是最快的,但其比较器个数随着分辨率的增加呈指数增长,因此受限于功耗和面积,能达到的分辨率不高;PipelineADC的分辨率高、转换速度快、但是其结构复杂,面积和功耗较大,同时受制于一些非理想因素,影响其性能;Σ-ΔADC可以实现很高的分辨率,但却牺牲了转换速度,一般应用于MHz及以下的信号。
SAR ADC中模拟电路所占的比重非常小,数字电路占较大比例,易于实现,目前很多ADC都采用SAR ADC作为主体部分,混合其他种类ADC实现高速或者高精度的功能。在SARADC中,数模转换器(DAC)是一个重要组成部分,DAC大致有三种类型:电压定标型、电流定标型和电荷定标型(CDAC)。由于MOS工艺中,电容的匹配性较电阻好,再加上CDAC的静态功耗很小,所以电荷定标型的DAC是目前SAR ADC中应用最多的一类DAC,它是利用电容阵列上的电荷存储输入信息,再对该电荷进行逐次重分配完成二进制搜索算法。CDAC不需要额外的S/H电路,因为它本身可以作为一个采样保持电路对输入信号进行采样和保持,并且在相同匹配精度的条件下面积更小。因此,电荷重分布型DAC现已广泛应用于SAR ADC的设计中。然而,实现N位精度的DAC阵列所需的电容为2N,电容面积随精度提高呈指数增长。由于普通二进制的电荷重分配型DAC在高精度SAR ADC中会使总电容过大,所以逐渐发展出了分裂式电容阵列,通过把整个DAC划分为主位与次位来减小所需的电容,如果要各电容仍然满足二进制关系,桥接电容需要设置为分数值,但是分数值电容无法与单位电容形成匹配,误差较大,同时线性度降低。
可见,传统的SAR ADC中,高精度会使DAC中的电容数指数型增加,同时会带来很大的功耗。如何使得传统SAR ADC实现高精度的同时,降低DAC中使用的电容数,并降低功耗成为其发展应用急需解决的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足,为了解决传统SAR ADC不能兼顾高精度、同时降低DAC的电容数、并降低功耗的问题,本发明提供了一种基于两步式的高精度低功耗SAR ADC(基于两步式的预测追踪SAR ADC),这是一种高精度,低功耗的模数转换器架构。
一种基于两步式的高精度低功耗SAR ADC,包含一个K位的辅助ADC和一个N位的主ADC,K<N,两者通过各自的SAR logic模块连通;外部输入的模拟信号接辅助ADC和主ADC各自的DAC电容阵列,转化后的N位数字码值通过主ADC的码值输出模块输出。
所述辅助ADC,包含一个辅助DAC电容阵列,一个电源电压VH的比较器,一个辅助SAR logic模块、辅助开关控制模块和码值输出模块。
辅助DAC电容阵列对输入的模拟信号进行采样后,将DAC电容阵列的两个上极板电压输入至比较器;辅助SAR logic模块通过比较器的比较结果得到数字码值,通过码值输出模块输出数字码值至主ADC的SAR logic模块;辅助开关控制模块通过辅助SAR logic模块产生的数字码值控制DAC电容阵列的下极板开关的切换,然后通过电荷重分配原则建立新的辅助DAC上极板电压,送入比较器进行下一次比较,以实现SAR的功能。辅助ADC的K位量化完毕后对应加载到主ADC的最高K位上。
所述主ADC由一个主DAC电容阵列,一个电源电压VL的比较器,一个主SAR logic模块、主开关控制模块和码值输出模块组成,VL<VH;
主ADC的SAR Logic模块接收辅助ADC量化完毕的K位码值,然后通过开关控制逻辑模块对主DAC电容阵列的最高K位的电容下极板开关进行切换控制,使主DAC电容阵列上极板电压重新建立;最后通过主DAC电容阵列上极板重新建立的电压对剩下的N-K位实施量化,得到N位输出码值。
进一步的,所述辅助DAC电容阵列采用传统二进制的电容排布,采用Vcm-based结构的电容切换方式,以使得电容减少一半,这意味着最大电容的建立时间减半,提高了速度;同时整体电容面积减少。
进一步的,所述主DAC电容阵列使用分段电容,其高位为M位,低位为L位,N=M+L,以降低主DAC使用电容数,采用Vcm-based结构的电容切换方式,从而主DAC使用电容数减少一半,这意味着最大电容的建立时间减半,提高了速度,同时整体电容面积减少;并且主ADC仅利用高位分段电容阵列进行采样避免引入额外的采样误差。
本发明基于两步式的高精度低功耗SAR ADC的具体工作流程为:
(1)在采样阶段,辅助ADC和主ADC对同一个输入信号进行采样;
(2)采样结束后,首先为K位辅助ADC的预测量化阶段,K位的辅助ADC量化码值将在辅助ADC量化完毕后,全部一起对应加载到主DAC的最高K位电容上,使得主DAC的高K位电容下极板同时切换,主DAC进行电荷重分配,建立新的DAC上极板电压;然后根据主DAC上极板重新建立的电压,继续进行K+1到N位的进一步量化,直到产生所有位的数字码值。
本架构的参考电压为VH,即采样量化的输入信号的最大幅值。辅助ADC电路工作在VH电压域下,主ADC电路工作在VL(VL<VH)电压域下。辅助ADC和主ADC中应用两种电压域VH和VL,原因是输入信号的摆幅为-VH到+VH,辅助ADC从采样到进行高位量化,比较器的输入摆幅为满摆幅,所以需要VH的电压域。由于主ADC的高位已经通过Kbit辅助SAR ADC得到量化结果,因此高精度的主ADC的比较器的输入端摆幅缩减至原来的1/2K,所以主ADC的比较器的电源电压可以使用低电平VL进一步减小了功耗。
而主ADC的精度高,高位电容较大,高位切换时的建立时间比较长,直接由辅助ADC进行高K位的量化则省去了主DAC高位电容的切换和量化过程,直接把辅助ADC的码值给到主ADC对应的权重位上。另一方面,低精度的辅助SAR ADC所需电容面积较小,所需建立时间更短,可以达到较快的转换速度,有效的提高了整体的工作速度,从而提高采样率,同时由于减少了主体ADC的电容切换次数,大大降低了整体的功耗。并且主DAC应用分段式电容结构,使本应该使用2N个单位电容降低为2M+1个单位电容的数量级,大幅减小了使用电容的数量,显著降低了功耗。
综上所述,本发明的ADC架构在实现高精度N位的同时,通过辅助ADC和主ADC两步量化的方式提高了采样速度,并且大幅降低了功耗。在速度方面,低精度的辅助SAR ADC所需电容面积较小,所需建立时间更短,可以达到较快的转换速度,且主ADC高位无需建立,直接加载辅助ADC的码值,有效的提高了整体ADC的工作速度,从而提高了采样率。在功耗方面,由于辅助ADC提前于主ADC进行量化,不仅减少了主ADC的电容切换次数;同时把主ADC的比较器电源电压从VH降低为VL;此外,主ADC采用Vcm-based结构,本应使用2N个单位电容降低为2M+1个单位电容的数量级,这些优势大大降低了整体的功耗。使得本ADC架构的优值高于其他高精度SAR ADC。
附图说明
图1为实施例辅助ADC的全差分形式的整体架构图。
图2为实施例主ADC的全差分形式的整体架构图。
图3为本发明的整体架构模拟框图。
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。
图1为实施例辅助ADC的全差分形式的整体架构图。
(1)采样阶段:
在采样阶段,采样开关均闭合,DAC电容阵列的上极板接VCM,电容下极板分别接Vinn和Vinp,则输入差分信号采样至DAC电容的下极板。P端和N端总电容大小为CPtot和CNtot,那么此时上极板的电荷量大小为:
DAC的P端:
QP=(VCM-Vinp)·CPtot (1)
DAC的N端:
QN=(VCM-Vinn)·CNtot (2)
DAC的P端:
DAC的N端:
此时比较器输入端的差分信号为:
VDACN-VDACP=(2VCM-Vinn)-(2VCM-Vinp)=(Vinp-Vinn)-0 (5)
由式(5)可以看出,在比较器输入端看到的差分信号同传统SAR ADC比较第一位时的差分信号相同,可见此时在不切换最高位电容的情况下即开始第一位的量化。
(2)量化阶段:
与传统SAR ADC的电容切换方式相比,Vcm-based架构的方式在不切换最高位电容的情况下完成了第一位的比较。所以可以省去传统SAR ADC中最高位的电容,使得总电容大小减少一半。之后与传统SAR ADC采用相同的开关切换方式完成对每位权重电容的切换:若第一位的比较结果为b1=1,即Vin(Vinp-Vinn)大于0,N端DAC上极板电压大于P端,则P端最高位的电容(大小为2n-2C=1/2CPtot)下极板从VCM切换到Vref,N端最高位的电容(大小为2n-2C=1/2CNtot)下极板从VCM切换到gnd。同样由电荷守恒可知:
DAC的P端:
DAC的N端:
结合6、7两式可知:
由式(8)可以看出,此时实现了第二位的比较,因为Vcm等于1/2Vref,则现在开始比较Vin与1/2Vref的值,若第二位的比较结果为b1=0,即Vin(Vinp-Vinn)小于1/2Vref;N端DAC上极板电压小于P端,则P端次高位的电容(大小为2n-3C=1/4CPtot)下极板从VCM切换到gnd,N端次高位的电容(大小为2n-3C=1/4CNtot)下极板从VCM切换到Vref。同样由电荷守恒可知:
DAC的P端:
DAC的N端:
结合9、10两式可知:
以此类推,便可以进行1/4Vref(1/2Vcm),1/8Vref,1/16Vref…逐次逼近的过程,将输入信号转换为数字码值。其中转换时比较器的当前比较结果,决定着下一次量化时辅助开关控制模块控制DAC电容下极板开关切换至Vref还是gnd,省去了传统SAR ADC猜测的过程,从而避免了电容的“回切”。
图2为本实施例主ADC的全差分形式的整体架构图。
(1)采样阶段:
在采样阶段,采样开关均闭合,DAC电容阵列的上极板接VCM2(VCM2<VCM,避免低电源电压的比较器输入对管被击穿),电容下极板分别接Vinn和Vinp,则输入信号采样至DAC电容的下极板。P端和N端的总电容大小为CPtot和CNtot,那么此时上极板的电荷量大小为:
DAC的P端:
QP=(VCM2-Vinp)·CPtot (12)
DAC的N端:
QN=(VCM2-Vinn)·CNtot (13)
DAC P端:
DAC N端:
此时比较器输入端的差分信号为:
VDACN-VDACP=(VCM+VCM2-Vinn)-(VCM+VCM2-Vinp)=(Vinp-Vinn)-0 (16)
(2)码值加载阶段:
采样阶段完成后不直接进入量化阶段。首先把采样阶段中,辅助ADC的量化完成后的7位码值加载到主ADC中对应高位电容的下极板上,相当于主ADC中高位的7位电容同时进行切换,从而使DAC上极板电压重新建立。
(3)量化阶段:
辅助ADC的7位码值加载完成后,主DAC也相当于进行了7次量化,则下一次的比较结果直接控制第8位的电容C8的切换,之后的量化过程和辅助ADC的量化阶段一致,以此类推,便可以进行Vin和1/128Vref,1/256Vref一直到1/216Vref…的比较。
自此完成整个ADC的量化过程。
综上可见,通过本实施例已证明本发明的两步式SAR ADC通过辅助ADC和主ADC两步量化的方式,在实现高精度的同时,降低DAC阵列中使用的电容数,提高了采样速度,并且大幅降低了功耗。
Claims (4)
1.一种基于两步式的高精度低功耗SAR ADC,其特征在于:
包含一个K位的辅助ADC和一个N位的主ADC,K<N,两者通过各自的SAR logic模块连通;外部输入的模拟信号接辅助ADC和主ADC各自的DAC电容阵列,转化后的N位数字码值通过主ADC的码值输出模块输出;
所述辅助ADC,包含一个辅助DAC电容阵列,一个电源电压VH的比较器,一个辅助SARlogic模块、辅助开关控制模块和码值输出模块;
辅助DAC电容阵列对输入的模拟信号进行采样后,将DAC电容阵列的两个上极板电压输入至比较器;辅助SAR logic模块通过比较器的比较结果得到数字码值,通过码值输出模块输出数字码值至主ADC的SAR logic模块;辅助开关控制模块通过辅助SAR logic模块产生的数字码值控制DAC电容阵列的下极板开关的切换,然后通过电荷重分配原则建立新的辅助DAC上极板电压,送入比较器进行下一次比较,以实现SAR的功能;
辅助ADC的K位量化完毕后对应加载到主ADC的最高K位上;
所述主ADC由一个主DAC电容阵列,一个电源电压VL的比较器,一个主SAR logic模块、主开关控制模块和码值输出模块组成,VL<VH;
主ADC的SAR Logic模块接收辅助ADC量化完毕的K位码值,然后通过开关控制逻辑模块对主DAC电容阵列的最高K位的电容下极板开关进行切换控制,使主DAC电容阵列上极板电压重新建立;最后通过主DAC电容阵列上极板重新建立的电压对剩下的N-K位实施量化,得到N位输出码值。
2.如权利要求1所述基于两步式的高精度低功耗SAR ADC,其特征在于:所述辅助DAC电容阵列采用传统二进制的电容排布,采用Vcm-based结构的电容切换方式。
3.如权利要求1所述基于两步式的高精度低功耗SAR ADC,其特征在于:所述主DAC电容阵列使用分段电容,其高位为M位,低位为L位,N=M+L,以降低主DAC使用电容数,采用Vcm-based结构的电容切换方式。
4.如权利要求1所述基于两步式的高精度低功耗SAR ADC,其特征在于:
具体工作流程为:
(1)在采样阶段,辅助ADC和主ADC对同一个输入信号进行采样;
(2)采样结束后,首先为K位辅助ADC的预测量化阶段,K位的辅助ADC量化码值将在辅助ADC量化完毕后,全部一起对应加载到主DAC的最高K位电容上,使得主DAC的高K位电容下极板同时切换,主DAC进行电荷重分配,建立新的DAC上极板电压;然后根据主DAC上极板重新建立的电压,继续进行K+1到N位的进一步量化,直到产生所有位的数字码值。
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