CN118074722A - 逐次逼近型模数转换电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种逐次逼近型模数转换电路，包括数模转换器，包括分享电容阵列，其中，数模转换器用于采样输入电压，并基于逐次逼近的数字逻辑信号和分享电容阵列的电压分享，将采样的输入电压转换成对应的多个低压型待比较电压；低压型比较器，连接数模转换器，以逐次地将低压型待比较电压与低压型参考电压比较，产生相应地比较结果；逻辑控制电路，连接数模转换器和低压型比较器，以提供逐次逼近的数字逻辑信号至数模转换器，并接收低压型比较器的比较结果，从而根据比较结果确定相应的数字转换结果。上述方案，能解决现有的逐次逼近型模数转换器存在的功耗较高，速度较慢及有击穿风险的问题。

Description

逐次逼近型模数转换电路

技术领域

本申请的所公开实施例涉及模数转换技术领域，且更具体而言，涉及逐次逼近型模数转换电路。

背景技术

逐次逼近模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号，被广泛应用在消费电子产品、无线通信、医疗设备及工业控制及分析领域。

现有的逐次逼近型模数转换器，需要转换的电压为电源电压，由于电源电压值通常较高，则输入到比较器的电压也较高，于是需要高压器件作为比较器，如此，功耗较高，速度较慢，有击穿风险。

因此，如何降低现有的逐次逼近型模数转换器的功耗以及击穿风险成，提升速度为亟待解决的问题。

发明内容

根据本申请的实施例，本申请提出一种逐次逼近型模数转换电路，以解决上述问题。

根据本申请的一方面，公开一种逐次逼近型模数转换电路，包括：数模转换器，包括分享电容阵列，其中，所述数模转换器用于采样输入电压，并基于逐次逼近的数字逻辑信号和所述分享电容阵列的电压分享，将采样的所述输入电压转换成对应的多个低压型待比较电压；低压型比较器，连接所述数模转换器，以逐次地将所述低压型待比较电压与低压型参考电压比较，产生相应地比较结果；逻辑控制电路，连接所述数模转换器和所述低压型比较器，以提供逐次逼近的数字逻辑信号至所述数模转换器，并接收所述低压型比较器的比较结果，从而根据所述比较结果确定相应的数字转换结果。

因此，通过分享电容阵列将采样的输入电压转换成低压型待比较电压，从而比较器能够采用低压型比较器，能够降低功耗，提高转换速度，且能降低击穿风险。

其中，数模转换器还包括：采样电容阵列、开关阵列，所述采样电容阵列藉由所述开关阵列选择性地连接所述输入电压、参考电压和地电压。

因此，通过开关阵列依次选择相应的电压，采集得到待转换电压。

所述采样电容阵列包括多个采样电容，所述开关阵列包括多个开关，其中，每个采样电容的第一端分别通过一个对应的所述开关而选择性地连接所述输入电压、所述参考电压和所述地电压；每个采样电容的第二端连接在一起作为所述数模转换器的输出端，连接所述低压型比较器；其中，在采样阶段，所述采样电容阵列中的每个所述采样电容藉由所述开关阵列中的对应的所述开关连接至所述输入电压，以进行采样；在转换阶段，基于逐次逼近的所述数字逻辑信号控制所述开关阵列中的所述开关，逐次增加连接至所述参考电压的所述采样电容阵列中的所述电容的数量，其它的所述电容连接所述地电压，以将采样的所述输入电压转换成对应的多个所述低压型待比较电压。

因此，通过采样电容采集待转换电压后，与参考电压逐次进行比较，能够提高转换精度。

所述分享电容阵列包括多个分享电容，其中，每个所述分享电容的第一端连接分享驱动电压线，每个所述分享电容的第二端连接所述数模转换器的输出端；在所述采样阶段，所述分享驱动电压线接收所述地电压；在所述转换阶段，所述分享驱动电压线接收分享驱动电压，所述分享电容阵列中的所述分享电容分享所述采样电容阵列中所述采样电容的电荷，以将采样的所述输入电压转换成对应的多个所述低压型待比较电压。

因此，通过分享电容在转换阶段分享采样电容的电荷将输入电压转换成低压型比较电压，比较器能够采用低压型比较器，能够降低功耗，提高转换速度，且能降低击穿风险

其中，所述数模转换器还包括：分享驱动电压选择电路，所述分享驱动电压线藉由所述分享驱动电压选择电路选择性地连接所述地电压和所述分享驱动电压。

因此，分享驱动电压选择电路选择性连接地电压和分享驱动电压，进而选择性的将分享电容阵列与采样电容分享电荷。

其中，所述分享驱动电压选择电路包括电压选择电路和控制电压输出电路，所述控制电压输出电路选择性地输出高电平或低电平的控制信号；所述电压选择电路基于所述控制信号选择性地输出所述地电压和所述分享驱动电压。

因此，分享驱动电压选择电路选择性连接地电压和分享驱动电压，进而选择性的将分享电容阵列与采样电容分享电荷。

其中，所述分享驱动电压选择电路还包括反相电路，所述反相电路的输入端接收所述控制信号，基于所述控制信号在其输出端输出驱动信号；所述电压选择电路的第一控制端接收控制信号，所述电压选择电路的第二控制端接收所述反相电路的驱动信号；在所述采样阶段，所述电压选择电路的输出端基于所述控制信号输出所述地电压至所述分享驱动电压线；在所述转换阶段，所述电压选择电路的输出端基于所述控制信号输出所述分享驱动电压至所述分享驱动电压线。

因此，分享驱动电压选择电路选择性连接地电压和分享驱动电压，进而选择性的将分享电容阵列与采样电容分享电荷。

其中，所述电压选择电路包括：驱动电压选择路径，其控制端作为所述电压选择电路的第二控制端接收所述驱动信号，其第一端连接至所述分享驱动电压，其第二端连接至所述电压选择电路的输出端，其控制端基于所述驱动信号控制其第一端和第二端之间的通断，选择性地在所述电压选择电路的输出端输出所述分享驱动电压；地电压选择路径，其控制端作为所述电压选择电路的第一控制端接收控制电压，其第一端连接至所述电压选择电路的输出端，其第二端连接至所述地电压；其控制端基于所述控制信号控制其第一端和第二端之间的通断，选择性地在所述电压选择电路的输出端输出所述地电压。

其中，所述驱动电压选择路径基于所述驱动信号断开时，所述地电压选择路径基于所述控制信号导通，所述电压选择电路的输出端输出所述地电压。

其中，所述驱动电压选择路径基于所述驱动信号导通时，所述地电压选择路径基于所述控制信号断开，所述电压选择电路的输出端输出所述分享驱动电压。

因此，能够使分享电容阵列在适当时机接入电路以分享采样电容电荷，将输入电压降为低压型电压。

附图说明

下面将结合附图及实施方式对本申请作进一步说明，附图中：

图1是本申请一种逐次逼近型模数转换电路一实施例的电路结构示意图；

图2是本申请一种逐次逼近型模数转换电路另一实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请的技术方案做进一步详细描述。

请参照图1，图1是本申请一种逐次逼近型模数转换电路一实施例的电路结构示意图，具体地，包括数模转换器100、低压型比较器200以及逻辑控制电路300；数模转换器100包括分享电容阵列220，其中，数模转换器100用于采样输入电压VIN，并基于逐次逼近的数字逻辑信号和分享电容阵列220的电压分享，将采样的输入电压VIN转换成对应的多个低压型待比较电压；低压型比较器200，连接数模转换器100，以逐次地将低压型待比较电压与低压型参考电压VREF比较，产生相应地比较结果；逻辑控制电路300，连接数模转换器100和低压型比较器200，以提供逐次逼近的数字逻辑信号至数模转换器100，并接收低压型比较器200的比较结果，从而根据比较结果确定相应的数字转换结果。

上述的低压型比较器，其输入端可输入电压小于1.1V，对应的，低压型待比较电压以及低压型参考电压的电压值也小于1.1V。

请继续参照图1，在一些可能的实施方式中，数模转换器100还包括采样电容阵列210和开关阵列230，其中，采样电容阵列210藉由开关阵列230选择性地连接输入电压VIN、参考电压VREF和地电压GND中的一者。

在一些可能的实施方式中，采样电容阵列210包括多个采样电容，开关阵列230包括多个开关，其中，每个采样电容的第一端分别通过一个对应的开关而选择性地连接输入电压VIN、参考电压VREF和地电压GND；每个采样电容的第二端连接在一起作为数模转换器100的输出，连接低压型比较器200；其中，在采样阶段，采样电容阵列210中的每个采样电容藉由开关阵列230中的对应的开关连接至输入电压VIN，以进行采样；在转换阶段，基于逐次逼近的数字逻辑信号控制开关阵列230中的开关，逐次增加连接至参考电压VREF的采样电容阵列210中的电容的数量，其它的电容连接地电压GND，以将采样的输入电压VIN转换成对应的多个低压型待比较电压。

请参照图2，图2是本申请一种逐次逼近型模数转换电路另一实施例的电路结构示意图；在一个实施场景中，采样电容阵列210包括电容C11、电容C10、电容C9、电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4、电容C3、电容C2、电容C1、电容C0，这些电容上极板接开关阵列230、下极板接在一起作为数模转换器100的输出，连接至低压型比较器200的一个输入端；开关阵列230包括开关S11、开关S10、开关S9、开关S8、开关S7、开关S6、开关S5、开关S4、开关S3、开关S2、开关S1，这些开关一端连接至输入电压VIN、参考电压VREF和地电压GND，另一边连接采样电容阵列210，以选择性地使采样电容阵列210连接输入电压VIN、参考电压VREF和地电压GND，其中，采样电容阵列210还包括电容Cco，即补偿位的采样电容，其经过开关Sco选择性地连接至输入电压VIN和地电压GND。采样电容阵列210中的多个电容容值不同，呈倍数增长或降低；例如，以C为单位容值，则C11为第11位的采样电容，总电容值可以为2048C；C10为第10位的采样电容，总电容值可以为1024C；C9为第9位的采样电容，总电容值可以为512C；C8为第8位的采样电容，总电容值可以为256C；C7为第7位的采样电容，总电容值可以为128C；C6为第6位的采样电容，总电容值可以为64C；C5为第5位的采样电容，总电容值为32C；C4为第4位的采样电容，总电容值为16C；C3为第3位的采样电容，总电容值为8C；C2为第2位的采样电容，总电容值为4C；C1为第1位的采样电容，总电容值为2C；C0为第0位的采样电容，电容值可以为C。上述容值仅作为举例说明，不代表实际必须按照上述容值以及顺序布置，例如，相邻设置的采样电容之间的容值不一定是呈倍数依次变化的，即，第1位电容容值为C，第2位电容容值可以为256C，第3位电容容值可以为1024C，第4位电容容值可以为64C。在其他的实施场景中，采样电容阵列210中除去补偿位采样电容后，其采样电容数量还可以是其他任意偶数数量个，同理，开关阵列230中的开关数量随采样电容阵列210中的电容数量变化而采用适应的数量，本申请在此不作限定。

请继续参照图2，在一些可能的实施方式中，分享电容阵列220包括多个分享电容，其中，每个分享电容的第一端连接分享驱动电压线，每个分享电容的第二端连接数模转换器100的输出端；其中，在采样阶段，分享驱动电压线接收地电压GND；在转换阶段，分享驱动电压线接收分享驱动电压，分享电容阵列220中的分享电容分享采样电容阵列210中采样电容的电荷，以将采样的输入电压VIN转换成对应的多个低压型待比较电压。

在一个实施场景中，分享电容阵列220包括CS11、电容CS10、电容CS9、电容CS8、电容CS7、电容CS6、电容CS5、电容CS4、电容CS3、电容CS2、电容CS1、电容CS0、电容Csto、电容Ccas，这些电容上极板接分享驱动电压线，下极板接数模转换器100的输出端；其中，CS11、电容CS10、电容CS9、电容CS8、电容CS7、电容CS6、电容CS5、电容CS4、电容CS3、电容CS2、电容CS1、电容CS0分别为采样电容C11到C0对应的分享电容，Csto为单独的电荷存储阵列，Ccas为校准电容阵列内部的电荷存贮阵列；分享电容数量可以是与采样电容数量相同的，例如，每个分享电容可以对应于一个采样电容。在采样阶段，分享驱动电压线接收地电压GND，此时分享电容的上极板和下极板电压相同，因此分享电容中不存储电荷；在转换阶段，分享驱动电压线接收分享驱动电压，此时分享电容接入电路，与采样电容并联，并与采样电容分享采样电容中存储的电荷，进而将采样电容上的输入电压VIN转换成低压型待比较电压。

数模转换器100还包括校准电容Ccal，其通过开关阵列230中的Scal选择性地连接至输入电压VIN、地电压GND和参考电压VREF。

在一些可能的实施方式中，数模转换器100还包括分享驱动电压选择电路240，其中，分享驱动电压线藉由分享驱动电压选择电路240选择性地连接地电压GND和分享驱动电压。

在一些可能的实施方式中，分享驱动电压选择电路240包括电压选择电路242和控制电压输出电路241，控制电压输出电路241选择性地输出高电平或低电平的控制信号；电压选择电路242基于控制信号选择性地输出地电压GND和分享驱动电压。

在一个实施场景中，控制电压输出电路241为稳压器，经过稳压器输出控制电压至电压选择电路242；在其他的实施场景中，控制电压输出电路241可以是控制芯片，其中，控制芯片能够输出脉冲信号。

在一个实施场景中，电压选择电路242可以是推挽电路；例如，可以由PMOS和NMOS形成推挽电路，PMOS的源极连接至分享驱动电压，NMOS源极连接至地电压GND，PMOS和NMOS的漏极连接在一起，并连接至分享驱动电压线，其基极分别接入控制电压，根据控制电压处于高电平或是低电平，PMOS和NMOS同时只有一个是处于导通状态的，当PMOS导通时，分享驱动电压线输出分享驱动电压；当NMOS导通时，分享驱动电压线输出地电压GND。在其他的实施场景中，还可以由采用其他开关器件形成推挽电路，例如三极管等，本申请不作限定。

在一些可能的实施方式中，分享驱动电压选择电路240还包括反相电路，反相电路的输入端接收控制信号，基于控制信号在其输出端输出驱动信号；电压选择电路242的第一控制端接收控制信号，电压选择电路242的第二控制端接收反相电路的驱动信号；其中，在采样阶段，电压选择电路242的输出端基于控制信号输出地电压GND至分享驱动电压线；在转换阶段，电压选择电路242的输出端基于控制信号输出分享驱动电压至分享驱动电压线。

在一个实施场景中，反相电路由PMOS和NMOS组成；在其他实施场景中，反相电路还可以由其他可控开关器件组成，本申请在此不作限定。当反相电路由PMOS和NMOS组成时，PMOS的源极连接至分享驱动电压，NMOS源极连接至地电压GND，PMOS和NMOS的漏极连接在一起，其基极分别接入控制电压，形成一级反相子电路；在一些实施场景中，反相电路可以由多级反相子电路组成。在本实施方式中，反相电路由两级反相子电路组成，反相电路的输出端输出驱动信号至电压选择电路242的第二控制端，即PMOS的控制端；电压选择电路242的第一控制端，即NMOS的控制端，接入控制信号，因此，当控制信号处于高电平或低电平时，反相电路输出的驱动信号也为高电平，PMOS和NMOS中只有一个导通。

在一些可能的实施方式中，电压选择电路242包括：驱动电压选择路径，其控制端作为电压选择电路242的第二控制端接收驱动信号，其第一端连接至分享驱动电压，其第二端连接至电压选择电路242的输出端，其控制端基于驱动信号控制其第一端和第二端之间的通断，选择性地在电压选择电路242的输出端输出分享驱动电压；地电压GND选择路径，其控制端作为电压选择电路242的第一控制端接收控制电压，其第一端连接至电压选择电路242的输出端，其第二端连接至地电压GND；其控制端基于控制信号控制其第一端和第二端之间的通断，选择性地在电压选择电路242的输出端输出地电压GND。

在一个实施场景中，驱动电压选择路径和地电压GND选择路径可以为不止一条，并且，驱动电压选择路径和地电压GND选择路径的数量可以不同，例如，驱动电压选择路径和地电压GND选择路径可以均为2条，或者驱动电压选择路径有2条，地电压GND选择路径为1条。本申请在此不作限定。

在一些可能的实施方式中，驱动电压选择路径基于驱动信号断开时，地电压GND选择路径基于控制信号导通，电压选择电路242的输出端输出地电压GND。驱动电压选择路径基于驱动信号导通时，地电压GND选择路径基于控制信号断开，电压选择电路242的输出端输出分享驱动电压。

本申请的逐次逼近型模数转换电路，在采样阶段，采样电容阵列210一端连接至输入电压VIN，一端接地电压GND，则此时采样电容阵列210和分享电容阵列220电容容纳的总电量Q为：Q＝4096C(VIN-0)+Csh(0-0)，其中，VIN为输入电压VIN，Csh为分享电容总容值；

在转换阶段，C11被连接到参考电压VREF，C10、C9一直到C0、Cco都连接到地电压GND，分享电容上极板接分享驱动电压，下极板接低压型比较器200的输入端，此时采样电容阵列210和分享电容阵列220电容容纳的总电量Q’为：

Q’＝2048C(VREF-VN)+Csh(Vldo-VN)+2048C(0-VN)；

其中，VREF为参考电压VREF，Vldo为分享驱动电压，VN为比较器输入端电压；令Q＝Q’可得：

VN＝(2048C*VREF-4096VIN+Csh*Vldo)/(4096C+Csh)；

若VREF＝3.3V，VIN＝3.3V，Csh＝6252C，Vldo＝1.1V，则VN≈0.01146V，VN与低压型比较器200另一输入端的电压VP(VP为参考电压驱动电路产生的，此处为一个略大于0.664V的电压)比较之后，再进行第二步分配，直到得到最后的比较结果。

因此，通过分享电容在转换阶段接入电路，与采样电容阵列210分享电荷，将采样的输入电压VIN转换成对应的多个低压型待比较电压，从而后端的比较器即可采用低压型比较器200，能够降低比较器的功耗、提升比较器的速度，也降低模数转换电路整体的功耗，无需考虑比较器到逻辑控制电路300的耐压问题。

所属领域的技术人员易知，可在保持本申请的教示内容的同时对装置及方法作出诸多修改及变动。因此，以上公开内容应被视为仅受随附权利要求书的范围的限制。

Claims (10)

1.一种逐次逼近型模数转换电路，其特征在于，包括：

数模转换器，包括分享电容阵列，其中，所述数模转换器用于采样输入电压，并基于逐次逼近的数字逻辑信号和所述分享电容阵列的电压分享，将采样的所述输入电压转换成对应的多个低压型待比较电压；

低压型比较器，连接所述数模转换器，以逐次地将所述低压型待比较电压与低压型参考电压比较，产生相应地比较结果；

逻辑控制电路，连接所述数模转换器和所述低压型比较器，以提供逐次逼近的数字逻辑信号至所述数模转换器，并接收所述低压型比较器的比较结果，从而根据所述比较结果确定相应的数字转换结果。

2.根据权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述数模转换器还包括：

采样电容阵列；

开关阵列，其中，所述采样电容阵列藉由所述开关阵列选择性地连接所述输入电压、参考电压和地电压。

3.根据权利要求2所述的模数转换电路，其特征在于，

所述采样电容阵列包括多个采样电容，所述开关阵列包括多个开关，其中，每个采样电容的第一端分别通过一个对应的所述开关而选择性地连接所述输入电压、所述参考电压和所述地电压；每个采样电容的第二端连接在一起作为所述数模转换器的输出端，连接所述低压型比较器；

其中，在采样阶段，所述采样电容阵列中的每个所述采样电容藉由所述开关阵列中的对应的所述开关连接至所述输入电压，以进行采样；

在转换阶段，基于逐次逼近的所述数字逻辑信号控制所述开关阵列中的所述开关，逐次增加连接至所述参考电压的所述采样电容阵列中的所述电容的数量，其它的所述电容连接所述地电压，以将采样的所述输入电压转换成对应的多个所述低压型待比较电压。

4.根据权利要求3所述的模数转换电路，其特征在于，

所述分享电容阵列包括多个分享电容，其中，每个所述分享电容的第一端连接分享驱动电压线，每个所述分享电容的第二端连接所述数模转换器的输出端；

其中，在所述采样阶段，所述分享驱动电压线接收所述地电压；

在所述转换阶段，所述分享驱动电压线接收分享驱动电压，所述分享电容阵列中的所述分享电容分享所述采样电容阵列中所述采样电容的电荷，以将采样的所述输入电压转换成对应的多个所述低压型待比较电压。

5.根据权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于，所述数模转换器还包括：

分享驱动电压选择电路，其中，所述分享驱动电压线藉由所述分享驱动电压选择电路选择性地连接所述地电压和所述分享驱动电压。

6.根据权利要求5所述的模数转换电路，其特征在于，

所述分享驱动电压选择电路包括电压选择电路和控制电压输出电路，所述控制电压输出电路选择性地输出高电平或低电平的控制信号；所述电压选择电路基于所述控制信号选择性地输出所述地电压和所述分享驱动电压。

7.根据权利要求6所述的模数转换电路，其特征在于，

所述分享驱动电压选择电路还包括反相电路，所述反相电路的输入端接收所述控制信号，基于所述控制信号在其输出端输出驱动信号；所述电压选择电路的第一控制端接收控制信号，所述电压选择电路的第二控制端接收所述反相电路的驱动信号；

其中，在所述采样阶段，所述电压选择电路的输出端基于所述控制信号输出所述地电压至所述分享驱动电压线；

在所述转换阶段，所述电压选择电路的输出端基于所述控制信号输出所述分享驱动电压至所述分享驱动电压线。

8.根据权利要求7所述的模数转换电路，其特征在于，所述电压选择电路包括：

驱动电压选择路径，其控制端作为所述电压选择电路的第二控制端接收所述驱动信号，其第一端连接至所述分享驱动电压，其第二端连接至所述电压选择电路的输出端，其控制端基于所述驱动信号控制其第一端和第二端之间的通断，选择性地在所述电压选择电路的输出端输出所述分享驱动电压；

地电压选择路径，其控制端作为所述电压选择电路的第一控制端接收控制电压，其第一端连接至所述电压选择电路的输出端，其第二端连接至所述地电压；其控制端基于所述控制信号控制其第一端和第二端之间的通断，选择性地在所述电压选择电路的输出端输出所述地电压。

9.根据权利要求8所述的模数转换电路，其特征在于，所述驱动电压选择路径基于所述驱动信号断开时，所述地电压选择路径基于所述控制信号导通，所述电压选择电路的输出端输出所述地电压。

10.根据权利要求8所述的模数转换电路，其特征在于，所述驱动电压选择路径基于所述驱动信号导通时，所述地电压选择路径基于所述控制信号断开，所述电压选择电路的输出端输出所述分享驱动电压。