CN115021751A - 无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器 - Google Patents

无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器 Download PDF

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Abstract

本发明提出无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，所述模数转换器包括采样开关、采样电容阵列CDAC，无源积分模块、双输入端比较器和SAR逻辑元件；工作时，输入信号Vip、Vin通过采样开关与二进制电容阵列的顶极板相连，二进制电容阵列的底极板则通过电容阵列切换开关与参考电压Vcm、Vrp、Vrn相连，二进制电容阵列的顶极板还通过积分开关与积分电容CINT顶极板相连，积分电容CINT的底极板直接与共模电压Vcm相连接，积分电容CINT顶极板还直接与双输入端比较器的正极输入端、负极输入端相连，双输入端比较器的输出端与SAR逻辑元件的输入端相连，SAR逻辑元件的输出端与电容阵列切换开关相连；本发明降低了模数转换器的功耗，提升了模数转换器的精度。

Description

无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其是无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器。
背景技术
随着集成电路工艺演进和市场低功耗的需求，更高精度和更低功耗的模数转换器成为了研究热点，其中噪声整形逐次逼近型模数转换器就是实现此目的的一类模数转换器。目前存在的噪声整形逐次逼近型模数转换器分为有源和无源两大类，其中无源相对于有源具有更低功耗，更符合工艺演进方向的优点，但是存在积分衰减导致整形效果差，往往又需要额外的余量电压采集电容和积分电容，从而需要多输入对比较器，此类比较器尺寸大，功耗大，回踢噪声大，不易实现高精度和低功耗的设计目标。另外目前已经存在的基于双输入比较器的无源噪声整形逐次逼近型模数转换器，需要余量电压采集不仅会带来余量电压采集时的衰减问题，还会导致模数转换周期增加，不利于模数转换器的高速设计；而目前已存在的无需余量电压采集的无源噪声整形模数转换器，则需要多输入对比较器，具有功耗大，回踢噪声大，精度低，难以提高模数转换器精度的问题。
发明内容
本发明提出无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，解决了因为余量电压采集带来的积分衰减和模数转换时间增加的问题以及多输入对比较器带来的高功耗、大尺寸、高回踢噪声的问题，降低了模数转换器的功耗，提升了模数转换器的精度。
本发明采用以下技术方案。
无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，所述模数转换器包括采样开关（1）、采样电容阵列CDAC(2)，无源积分模块（3）、双输入端比较器（4）和SAR逻辑元件（5）；所述采样电容阵列CDAC包括电容阵列切换开关（6）和二进制电容阵列（7）；所述无源积分模块包含积分开关（8）和积分电容CINT（9）；
所述转换器工作时，输入信号Vip、Vin通过采样开关与二进制电容阵列的顶极板相连，二进制电容阵列的底极板则通过电容阵列切换开关与参考电压Vcm、Vrp、Vrn相连，二进制电容阵列的顶极板还通过积分开关与积分电容CINT顶极板相连，积分电容CINT的底极板直接与共模电压Vcm相连接，积分电容CINT顶极板还直接与双输入端比较器的正极输入端、负极输入端相连，双输入端比较器的输出端与SAR逻辑元件的输入端相连，SAR逻辑元件的输出端与电容阵列切换开关相连；
所述转换器工作时，其双输入端比较器在完成二进制电容阵列的最后一位比较后，把部分余量电压电荷存储于积分电容处参与下次采样值的模数转换。
所述模数转换器工作时，其工作方法具体为：
方法A1、当采样控制信号ΦS为高电平时，采样开关闭合，模拟信号Vip、Vin被采样到二进制电容阵列的顶极板，与此同时二进制电容阵列的底极板通过电容阵列切换开关闭合连接到共模电压Vcm，而积分控制信号ΦINT为低电平，积分开关断开，积分电容CINT顶极板与二进制电容阵列的顶极板断开；
方法A2、当采样控制信号ΦS为低电平时，采样开关断开，模拟信号Vip、Vin与二进制电容阵列的顶极板断开，而此时积分控制信号ΦINT为高电平，积分开关闭合，积分电容CINT顶极板与二进制电容阵列的顶极板连接，从而使存储在积分电容CINT上的上一次模数转换的部分余量电压与本次采样到二进制电容阵列上的模拟信号Vip、Vin通过电荷共享直接相加，然后送入双输入端比较器的正输入端+、负输入端-；
方法A3、当比较器控制信号ΦCOMP为高电平时，双输入端比较器比较出正输入端+、负输入端-的大小，把比较结果送入SAR 逻辑，SAR逻辑元件根据双输入端比较器输出的比较的结果，进行二进制逐次逼近。
所述方法A3中，SAR逻辑元件根据双输入端比较器输出的比较的结果进行二进制逐次逼近的方法为：
方法B1、若第一次比较结果为高电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrn，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrp；
方法B2、若第一次比较结果为低电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrp，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrn；然后，双输入端比较器进行第二次比较；
方法B3、若第二次比较结果为高电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrn，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrp；
方法B4、若第二次比较结果为低电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrp，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrn；继而进行第三次比较，同理依次类比，直至最后一次比较完成；
方法B5、最后一位比较完成后，此次模数转换的部分余量电压直接积分到积分电容CINT上，等待参与下一次采样值的模数转换，如此往复实现模数转换功能。
所述SAR逻辑元件控制信号为非交叠时钟信号ΦS、ΦINT、ΦCOMP。
所述二进制电容阵列为9位电容阵列。
方法B5中，最后一次比较即第八次比较。
所述模数转换器以16倍过采样和一阶噪声整形，在采样电容阵列CDAC的9位二进制电容阵列上实现12.78位的精度。
本发明提出了一种无余量电压采集的基于双输入比较器的无源噪声整形逐次逼近模数转换器设计，解决了因为余量电压采集带来的积分衰减和模数转换时间增加的问题以及多输入对比较器带来的高功耗、大尺寸，高回踢噪声的问题，降低了模数转换器的功耗，提升了模数转换器的精度。
本发明通过避免额外的余量电压采集，使在最后一位比较完成后，部分余量电压直接存储在积分电容上，参与下次采样值的模数转换，从而省下了余量电压采集的时间，提高了模数转换器工作速率，另外节省了电容面积，降低了KT/C热噪声；避免了多输入对管比较器的使用，而导致的比较器大的功耗和回踢噪声，从而提升了模数转换器的精度，降低了设计难度，实现了一阶噪声整形效果，如图3。该发明在低功耗中高精度传感器中具有广大的应用前景，尤其是噪声整形逐次逼近型模数转换器。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的电路示意框图；
附图2是本发明所述模数转换器的工作时序示意图；
附图3是本发明所述模数转换器的4096个点FFT功率谱密度示意图
图中：1-采样开关；2-采样电容阵列CDAC；3-无源积分模块；4-双输入端比较器；5-SAR逻辑元件；6-电容阵列切换开关；7-二进制电容阵列；8-积分开关；9-积分电容CINT。
具体实施方式
如图所示，无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，所述模数转换器包括采样开关1、采样电容阵列CDAC2，无源积分模块3、双输入端比较器4和SAR逻辑元件5；所述采样电容阵列CDAC包括电容阵列切换开关6和二进制电容阵列7；所述无源积分模块包含积分开关8和积分电容CINT9；
所述转换器工作时，输入信号Vip、Vin通过采样开关与二进制电容阵列的顶极板相连，二进制电容阵列的底极板则通过电容阵列切换开关与参考电压Vcm、Vrp、Vrn相连，二进制电容阵列的顶极板还通过积分开关与积分电容CINT顶极板相连，积分电容CINT的底极板直接与共模电压Vcm相连接，积分电容CINT顶极板还直接与双输入端比较器的正极输入端、负极输入端相连，双输入端比较器的输出端与SAR逻辑元件的输入端相连，SAR逻辑元件的输出端与电容阵列切换开关相连；
所述转换器工作时，其双输入端比较器在完成二进制电容阵列的最后一位比较后，把部分余量电压电荷存储于积分电容处参与下次采样值的模数转换。
所述模数转换器工作时，其工作方法具体为：
方法A1、当采样控制信号ΦS为高电平时，采样开关闭合，模拟信号Vip、Vin被采样到二进制电容阵列的顶极板，与此同时二进制电容阵列的底极板通过电容阵列切换开关闭合连接到共模电压Vcm，而积分控制信号ΦINT为低电平，积分开关断开，积分电容CINT顶极板与二进制电容阵列的顶极板断开；
方法A2、当采样控制信号ΦS为低电平时，采样开关断开，模拟信号Vip、Vin与二进制电容阵列的顶极板断开，而此时积分控制信号ΦINT为高电平，积分开关闭合，积分电容CINT顶极板与二进制电容阵列的顶极板连接，从而使存储在积分电容CINT上的上一次模数转换的部分余量电压与本次采样到二进制电容阵列上的模拟信号Vip、Vin通过电荷共享直接相加，然后送入双输入端比较器的正输入端+、负输入端-；
方法A3、当比较器控制信号ΦCOMP为高电平时，双输入端比较器比较出正输入端+、负输入端-的大小，把比较结果送入SAR 逻辑，SAR逻辑元件根据双输入端比较器输出的比较的结果，进行二进制逐次逼近。
所述方法A3中，SAR逻辑元件根据双输入端比较器输出的比较的结果进行二进制逐次逼近的方法为：
方法B1、若第一次比较结果为高电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrn，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrp；
方法B2、若第一次比较结果为低电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrp，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrn；然后，双输入端比较器进行第二次比较；
方法B3、若第二次比较结果为高电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrn，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrp；
方法B4、若第二次比较结果为低电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrp，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrn；继而进行第三次比较，同理依次类比，直至最后一次比较完成；
方法B5、最后一位比较完成后，此次模数转换的部分余量电压直接积分到积分电容CINT上，等待参与下一次采样值的模数转换，如此往复实现模数转换功能。
所述SAR逻辑元件控制信号为非交叠时钟信号ΦS、ΦINT、ΦCOMP。
所述二进制电容阵列为9位电容阵列。
方法B5中，最后一次比较即第八次比较。
所述模数转换器以16倍过采样和一阶噪声整形，在采样电容阵列CDAC的9位二进制电容阵列上实现12.78位的精度。

Claims (7)

1.无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述模数转换器包括采样开关（1）、采样电容阵列CDAC(2)，无源积分模块（3）、双输入端比较器（4）和SAR逻辑元件（5）；所述采样电容阵列CDAC包括电容阵列切换开关（6）和二进制电容阵列（7）；所述无源积分模块包含积分开关（8）和积分电容CINT（9）；
所述转换器工作时，输入信号Vip、Vin通过采样开关与二进制电容阵列的顶极板相连，二进制电容阵列的底极板则通过电容阵列切换开关与参考电压Vcm、Vrp、Vrn相连，二进制电容阵列的顶极板还通过积分开关与积分电容CINT顶极板相连，积分电容CINT的底极板直接与共模电压Vcm相连接，积分电容CINT顶极板还直接与双输入端比较器的正极输入端、负极输入端相连，双输入端比较器的输出端与SAR逻辑元件的输入端相连，SAR逻辑元件的输出端与电容阵列切换开关相连；
所述转换器工作时，其双输入端比较器在完成二进制电容阵列的最后一位比较后，把部分余量电压电荷存储于积分电容处参与下次采样值的模数转换。
2.根据权利要求1所述的无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述模数转换器工作时，其工作方法具体为：
方法A1、当采样控制信号ΦS为高电平时，采样开关闭合，模拟信号Vip、Vin被采样到二进制电容阵列的顶极板，与此同时二进制电容阵列的底极板通过电容阵列切换开关闭合连接到共模电压Vcm，而积分控制信号ΦINT为低电平，积分开关断开，积分电容CINT顶极板与二进制电容阵列的顶极板断开；
方法A2、当采样控制信号ΦS为低电平时，采样开关断开，模拟信号Vip、Vin与二进制电容阵列的顶极板断开，而此时积分控制信号ΦINT为高电平，积分开关闭合，积分电容CINT顶极板与二进制电容阵列的顶极板连接，从而使存储在积分电容CINT上的上一次模数转换的部分余量电压与本次采样到二进制电容阵列上的模拟信号Vip、Vin通过电荷共享直接相加，然后送入双输入端比较器的正输入端+、负输入端-；
方法A3、当比较器控制信号ΦCOMP为高电平时，双输入端比较器比较出正输入端+、负输入端-的大小，把比较结果送入SAR 逻辑，SAR逻辑元件根据双输入端比较器输出的比较的结果，进行二进制逐次逼近。
3.根据权利要求2所述的无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述方法A3中，SAR逻辑元件根据双输入端比较器输出的比较的结果进行二进制逐次逼近的方法为：
方法B1、若第一次比较结果为高电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrn，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrp；
方法B2、若第一次比较结果为低电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrp，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容28C由Vcm切换到Vrn；然后，双输入端比较器进行第二次比较；
方法B3、若第二次比较结果为高电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrn，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrp；
方法B4、若第二次比较结果为低电平，则SAR逻辑元件控制信号输出高低电平到电容阵列切换开关控制端，控制采样电容阵列CDAC上半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrp，而对应的采样电容阵列CDAC下半边的二进制电容阵列上的最高位权重电容27C由Vcm切换到Vrn；继而进行第三次比较，同理依次类比，直至最后一次比较完成；
方法B5、最后一位比较完成后，此次模数转换的部分余量电压直接积分到积分电容CINT上，等待参与下一次采样值的模数转换，如此往复实现模数转换功能。
4.根据权利要求3所述的无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述SAR逻辑元件控制信号为非交叠时钟信号ΦS、ΦINT、ΦCOMP。
5.根据权利要求3所述的无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述二进制电容阵列为9位电容阵列。
6.根据权利要求5所述的无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：方法B5中，最后一次比较即第八次比较。
7.根据权利要求6所述的无余量电压采集的无源噪声整形逐次逼近模数转换器，其特征在于：所述模数转换器以16倍过采样和一阶噪声整形，在采样电容阵列CDAC的9位二进制电容阵列上实现12.78位的精度。
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