CN212231427U - 一种模数转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种模数转换装置，该装置包括：比较器；与比较器的同相输入端相连的同相低位电容阵列和多个同相高位拆分电容，同相低位电容阵列中电容的电容值为C_Pm＝2^m‑1C，每一同相高位拆分电容的电容值为2^n‑5C；与比较器的反相输入端相连的反相低位电容阵列和多个反相高位拆分电容，反相低位电容阵列中电容的电容值为C_Nm＝2^m‑1C，每一反相高位拆分电容的电容值为2^n‑5C；开关选择单元，用于分别调节各个电容上的电压值；以及与比较器的输出端相连的逐渐逼近逻辑控制电路，用于控制开关选择单元与对应的电压单元相连。本实用新型解决了现有技术中模数转换器在数据转换过程中所产生的功耗比较大的问题。

Description

一种模数转换装置

技术领域

本实用新型涉及电容阵列开关技术领域，尤其涉及一种模数转换装置。

背景技术

低功耗已经是现在芯片设计的主流趋势，而低电压低功耗模数转换器是移动设备、便携式医疗诊断、监测设备以及无线传感器的重要组成部分。这些便携式智能设备通常受限于体积和使用时间，因此通常通过工作在低电源电压下，已达到降低功耗的目的。相比于其它结构的模数转换器(Analog-to-digital converter，简称ADC)，逐次逼近型模数转换器(successive approximation ADC，简称SAR ADC)是具有功耗低、尺寸小等优点。

但传统电荷再分配SAR ADC的电容阵列电容值呈指数递增，不仅不利于电容面积的减小以及功耗的优化，而且会影响采样速率的提高。另外，较大的最高位电容会造成电路较大的负载，因此模拟前端需要有较大的驱动能力，从而使得整个逐次逼近模数转换器的功耗比较大。

因此，有必要研究一种模数转换方案，以降低数据转换过程中所产生的功耗。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种模数转换装置，以解决现有技术中模数转换器在数据转换过程中所产生的功耗比较大的问题。

为实现上述目的，本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种模数转换装置，包括：

比较器；

与所述比较器的同相输入端相连的同相低位电容阵列和多个同相高位拆分电容，同相低位电容阵列中电容的电容值为C_Pm＝2^m-1C，每一同相高位拆分电容的电容值为2^n-5C；

与所述比较器的反相输入端相连的反相低位电容阵列和多个反相高位拆分电容，反相低位电容阵列中电容的电容值为C_Nm＝2^m-1C，每一反相高位拆分电容的电容值为2^n-5C；

分别与所述同相低位电容阵列、多个同相高位拆分电容、反相低位电容阵列、多个反相高位拆分电容相连的开关选择单元，用于分别调节各个电容上的电压值；以及

与所述比较器的输出端相连的逐渐逼近逻辑控制电路，用于控制所述开关选择单元与对应的电压单元相连；

其中，m∈[1，n-4]，n大于或等于5，C_P0＝C，C_N0＝C。

作为本实用新型的进一步改进，所述多个同相高位拆分电容和所述多个反相高位拆分电容的数量均为两个，且两个同相高位拆分电容相并联，两个反相高位拆分电容相并联。

作为本实用新型的进一步改进，所述开关选择单元由与两个同相高位拆分电容对应连接的两个同相高位选择开关、与两个反相高位拆分电容对应连接的两个反相高位选择开关、与同相低位电容阵列中每一电容对应连接的同相低位选择开关以及与反相低位电容阵列中每一电容对应连接的反相低位选择开关构成。

作为本实用新型的进一步改进，所述电压单元包括第一参考电压V_cm、第二参考电压V_ref以及第三参考电压GND。

作为本实用新型的进一步改进，所述模数转换装置的总电容值为2^n-2C。

作为本实用新型的进一步改进，在所述比较器进行第一次比较之前，两个同相高位选择开关和两个反相高位选择开关均连接至第三参考电压GND，同相低位选择开关和反相低位选择开关均连接至第一参考电压V_cm；

在所述比较器进行第二次比较之前，基于第一次比较结果，两个反相高位选择开关或两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，且反相低位选择开关或同相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref；

在所述比较器进行第三次比较之前，基于第一次比较结果和第二次比较结果，两个反相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref或第一参考电压V_cm，两个同相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref或第一参考电压V_cm；

其中，n＝5，同相低位电容阵列由电容C_P1和电容C_P0构成，反相低位电容阵列由电容C_N1和电容C_N0构成。

作为本实用新型的进一步改进，第一次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，反相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref；

第一次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，同相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。

作为本实用新型的进一步改进，第一次比较结果为1且第二次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref；

第一次比较结果为1且第二次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm；

第一次比较结果为0且第二次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm；

第一次比较结果为0且第二次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。

作为本实用新型的进一步改进，在所述比较器进行第四次比较之前，基于第一次比较结果、第二次比较结果和第三次比较结果，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm或第三参考电压GND，或与反相低位电容阵列的电容C_N1相连的反相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm或第三参考电压GND；

在所述比较器进行第五次比较之前，基于第一次比较结果、第二次比较结果、第三次比较结果和第四次比较结果，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，或C_P1下级板上的电压减小或增加至第一参考电压V_cm的一半；反相低位电容阵列的电容C_N1或C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，或C_N1下级板上的电压减小或增加至第一参考电压V_cm的一半。

本实用新型实施例的有益效果为：

本实用新型的模数转换装置中比较器的同相输入端连接有由电容值满足2^m-1C的电容构成的同相低位电容阵列、电容值均为2^n-5C的多个同相高位拆分电容，比较器的反相输入端连接有由电容值满足2^m-1C的电容构成的反相低位电容阵列、电容值均为2^n-5C的多个反相高位拆分电容，由此，本实用新型的电容阵列中的总电容值得到大幅度降低，从而降低模数转换过程所产生的损耗。

其次，由于比较器的同相输入端所连接的多个同相高位拆分电容(比如两个同相高位拆分电容)相互并联，且反相输入端所连接的多个反相高位拆分电容(比如两个反相高位拆分电容)相互并联。因此，与现有技术中采用电容矩阵构成的MSB位电容阵列(即高位电容阵列)的方案相比，本实用新型通过相互并联的同相高位拆分电容以及相互并联的反相高位拆分电容能够极大减小MSB位的电容值，从而进一步降低了模数转换所产生的功耗。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的模数转换装置的示意性结构框图；

图2为本实用新型一个实施例的电压单元60的示意性结构图；

图3为本实用新型一个具体实施例的模数转换装置的前三次比较的示意性原理图；

图4为基于图3中第三比较结果A执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图5为基于图3中第三比较结果B执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图6为基于图3中第三比较结果C执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图7为基于图3中第三比较结果D执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图8为基于图3中第三比较结果E执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图9为基于图3中第三比较结果F执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图10为基于图3中第三比较结果G执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图11为基于图3中第三比较结果H执行第四次和第五次比较的示意性原理图；

图12为本实用新型实施例的模数转换装置与现有技术中共模型开关策略的SARADC的数据切换功耗分别随输出码的示意性变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。

结合图1和图2进行说明，本实用新型实施例提供一种模数转换装置包括：比较器10；与比较器10的同相输入端V_IP(即比较器10的正极“+”端)相连的同相低位电容阵列201和多个同相高位拆分电容202，同相低位电容阵列201的电容值为C_Pm＝2^m-1C；与比较器10的反相输入端V_IN(即比较器10的负极“-”端)相连的反相低位电容阵列301和多个反相高位拆分电容302，反相低位电容阵列301的电容值为C_Nm＝2^m-1C；分别与同相低位电容阵列201、多个同相高位拆分电容202、反相低位电容阵列301、多个反相高位拆分电容302相连的开关选择单元，用于分别调节各个电容(该电容包括同相低位电容阵列201以及反相低位电容阵列301中所包含的电容、多个同相高位拆分电容202、多个反相高位拆分电容302)上的电压值；以及与比较器10的输出端相连的逐渐逼近逻辑控制电路50，用于控制开关选择单元与对应的电压单元60相连。电压单元60包括第一参考电压V_cm、第二参考电压V_ref以及第三参考电压GND。其中，V_ref＝2V_cm。

其中，C_Pm表示同相低位电容阵列201中第m列的电容，C_P0＝C，C_P0表示同相低位电容阵列201中位于第1列之前的电容，每一同相高位拆分电容的电容值为2^n-5C。C_Nm表示反相低位电容阵列301中第m列的电容所对应的电容值，C_N0＝C，C_N0表示同相低位电容阵列201中位于第1列之前的电容，每一反相高位拆分电容的电容值为2^n-5C。m∈[1，n-4]，n大于或等于5，C表示单位电容，单位电容的电容值可根据实际使用需求进行设定。模数转换装置的总电容值为2^n-2C。

开关选择单元由与多个同相高位拆分电容202对应连接的多个同相高位选择开关401、与多个反相高位拆分电容302对应连接的多个反相高位选择开关402、与同相低位电容阵列201中每一电容对应连接的同相低位选择开关403以及与反相低位电容阵列301中每一电容对应连接的反相低位选择开关404构成。

需要说明的是，多个同相高位选择开关401均与电压单元60中的同一电压相连，比如多个同相高位选择开关401均与第一参考电压V_cm或第二参考电压V_ref或第三参考电压GND相连，由此多个同相高位拆分电容202相互间并联。同理，多个反相高位选择开关402均与电压单元60中的同一电压相连，比如多个反相高位选择开关402均与第一参考电压V_cm或第二参考电压V_ref或第三参考电压GND相连，由此多个反相高位拆分电容302相互间并联。

本实用新型实施例的模数转换装置中比较器10的同相输入端连接有由电容值满足2^m-1C的电容构成的同相低位电容阵列201、电容值均为2^n-5C的多个同相高位拆分电容202，比较器10的反相输入端连接有由电容值满足2^m-1C的电容构成的反相低位电容阵列301、电容值均为2^n-5C的多个反相高位拆分电容302。由此，不难得到本实用新型实施例的总电容值为2^n-2C，比如在5位模数转换装置中总电容值为8C，而现有技术中的基于差分电容矩阵的开关转换方案的总电容值为32C或16C，因此，本实用新型实施例中的总电容值得到大幅度降低，从而能够有效降低模数转换过程所产生的损耗。

进一步地，由于比较器10的同相输入端所连接的多个同相高位拆分电容202相互并联，且反相输入端所连接的多个反相高位拆分电容302相互并联。因此，与现有技术中采用电容矩阵构成的MSB位电容阵列(即高位电容阵列)的方案相比，本实用新型实施例通过相互并联的同相高位拆分电容202以及相互并联的反相高位拆分电容302能够极大减小MSB位的电容值，从而进一步降低了模数转换所产生的功耗。

在上述一个具体的实施例中，多个同相高位拆分电容202和多个反相高位拆分电容302的数量均为两个。由此，两个同相高位拆分电容相并联，两个反相高位拆分电容相并联。本实用新型实施例通过两个相互并联的同相高位拆分电容202以及两个相互并联的反相高位拆分电容302能够有效减小MSB位的电容值，不仅进一步降低模数转换所产生的功耗，而且由于本实用新型实施例的电容得到大幅度降低，由此缓解了大电容充电所带来的带宽问题。由此，本实用新型实施例的模数转换装置具备数据转换速度快、总电容值小且功耗低的特点。

在一个具体的实施例中，n＝5。如图3所示，仍然以两个同相高位拆分电容(同相高位拆分电容C_202a和同相高位拆分电容C_202b)和两个反相高位拆分电容(反相高位拆分电容C_302a和反相高位拆分电容C_302b)进行说明，在本实用新型实施例中，5位模数转换装置在5次比较的过程中，且在每次比较之前，对同相高位拆分电容202、同相低位电容阵列201、反相高位拆分电容302以及反相低位电容阵列301中的各个电容上的电压予以调整或切换，以降低对开关选择单元的精度要求，从而降低整体电路的复杂度，并降低转换过程中电容阵列(同相低位电容阵列以及反相低位电容阵列)所产生的功耗。

具体而言，n＝5时，同相低位电容阵列201由电容C_P1和电容C_P0构成，反相低位电容阵列301由电容C_N1和电容C_N0构成。两个同相高位拆分电容的电容值均为C，两个反相高位拆分电容的电容值均为C，电容C_N1＝C_N0＝C_P1＝C_P0＝C。

在比较器10进行第一次比较之前，两个同相高位选择开关401(即同相高位选择开关S_KP1和同相高位选择开关S_KP2)和两个反相高位选择开关402(反相高位选择开关S_KN1和反相高位选择开关S_KN2)均受控地连接至第三参考电压GND，同相低位选择开关403(同相低位选择开关S_P1和同相低位选择开关S_P2)和反相低位选择开关404(反相低位选择开关S_N1和反相低位选择开关S_N2)均连接至第一参考电压V_cm。此时，两个同相高位拆分电容202以及同相低位电容阵列201各个电容的上极板均通过控制开关K_P与比较器10的同相输入端相连，两个反相高位拆分电容302以及反相低位电容阵列301各个电容的上极板均通过控制开关K_N与比较器10的反相输入端相连。

如此，当控制开关K_P、控制开关K_N均闭合时，比较器10的同相输入端和反相输入端分别对各个电容上的电压信号进行采集。当采集完毕后，控制开关K_P、控制开关K_N即可断开，以通过比较器10基于其同相输入端V_IP和反相输入端V_IN采集的电压信号进行第一次比较，以得到最高位MSB的值。若同相输入端V_IP的电压信号高于反相输入端V_IN的电压信号，则MSB位置1，反之，MSB为置0。由于在电压信号采集完毕后，各个电容上的电压并未进行切换，因此，在第一次比较过程中并不消耗能量。

在比较器进行第二次比较之前，基于第一次比较结果，两个反相高位选择开关或两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，且反相低位选择开关或同相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。具体而言，第一次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，反相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。即，反相高位拆分电容的下极板由第三参考电压GND切换连接至第一参考电压V_cm，次高位的反相低位电容阵列所接的电压由第一参考电压V_cm升高至第二参考电压V_ref，此时，比较器10的反相输入端V_IN的电压值提高1/2V_ref。由此，比较器10再根据其同相输入端V_IP和反相输入端V_IN的电压信号进行比较，得到MSB-1位值。若同相输入端V_IP的电压信号大于反相输入端V_IN的电压信号，则MSB-1位置1；反之，MSB-1位置0。

第一次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，同相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。即，同相高位拆分电容的下极板由第三参考电压GND切换连接至第一参考电压V_cm，次高位的同相低位电容阵列中电容下极板所接的电压由第一参考电压V_cm升高至第二参考电压V_ref，此时，比较器10的同相输入端V_IP的电压值提高1/2V_ref。由此，比较器10再根据其同相输入端V_IP和反相输入端V_IN的电压信号进行比较，得到MSB-1位值。第二次比较过程与第一次比较结果为1时的比较过程相同，在此不再说明。

在比较器10进行第三次比较之前，基于第一次比较结果和第二次比较结果，两个反相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref或第一参考电压V_cm，两个同相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref或第一参考电压V_cm。

具体地，第一次比较结果为1且第二次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。即，反相高位拆分电容下极板所连接的电压由第一参考电压V_cm切换连接至第二参考电压V_ref，由此，比较器10的反相输入端V_IN的电压值增大1/4V_ref(即增大了1/2V_cm)。

在第一次比较结果为1且第二次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm。即，同相高位拆分电容下极板所连接的电压由第三参考电压GND切换连接至第一参考电压V_cm，由此，比较器10的同相输入端V_IP的电压值增大1/4V_ref。

在第一次比较结果为0且第二次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm。即，反相高位拆分电容下极板所连接的电压由第三参考电压GND切换连接至第一参考电压V_cm，由此，比较器10的反相输入端V_IN的电压值增大1/4V_ref。

在第一次比较结果为0且第二次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。即，同相高位拆分电容下极板所连接的电压由第一参考电压V_cm切换连接至第二参考电压V_ref，由此，比较器10的同相输入端V_IP的电压值增大1/4V_ref。

如此，比较器10根据切换后所得到的同相输入端V_IP和反相输入端V_IN的电压信号进行比较，得到MSB-2位值。具体第三次比较原理参见上述实施例所述的比较原理，在此不做详细赘述。

不难发现，本实用新型实施例通过由两个相互并联的小电容(其电容值为单位电容值)构成同相高位拆分电容和反相高位拆分电容，由此，由于单位电容与电路中最大电容的电容值相差比较小，使得模数转换装置的匹配性比较好。并且，由于在起初采样阶段同相高位拆分电容与反相高位拆分电容的下极板均连接至第三参考电压GND，第一次采样结束后，同相高位拆分电容与反相高位拆分电容的两端不进行电压切换，比较器10直接对其同相输入端和反相输入端的电压信号进行第一次比较，因此在第一次比较的过程中不消耗能量。

在第二次比较过程中，为了减少开关切换过程中所消耗的能量，将第一次比较后电压较低的输入端对应的高位拆分电容(即同相高位拆分电容或反相高位拆分电容)连接第一参考电压V_cm，并将次高位电容阵列(即对应的低位电容阵列)所连接的第一参考电压V_cm切换至第二参考电压V_ref。由于占1/2权重的电容阵列的两端的电压的大小和方向均发生相同的偏移，即位于同一侧的电容阵列(如同相低位电容阵列或反相低位电容阵列)的电压减小一半，位于另一侧的电容阵列(如反相低位电容阵列或同相低位电容阵列)的电压则增加一半，且两侧电容阵列的电压方向相反，由此，由两侧电容阵列所消耗的能量相互抵消，第二次转换过程中所消耗的能量E₁如公式(1)所示。因此，在第二次转换过程中不消耗能量。

在第三次比较过程中，根据第二次的比较结果将低位电容阵列两端的电压进行平移。由于本实用新型实施例的模数转换装置采用同相高位拆分电容和反相高位拆分电容，因此可以充分利用最高位电容阵列的大小等于总电容大小一半的特性，在第三次比较过程中仅将电容阵列所接的电压值进行1/2V_cm的平移，平移至对应的同相高位拆分电容或反相高位拆分电容的两端。可见，在第三次比较过程中所消耗的能量E₂如公式(2)所示，由此，在第三次比较过程中消耗的能量依然为0。

因此，在前三次的比较过程中，本实用新型实施例的模数转换装置中差分电容阵列并没有产生功耗，由此，极大降低了现有技术的模数转换过程中产生较大损耗的问题。

在第i次比较阶段，其中，i大于等于4，且i小于n，根据第一次比较结果、第二次比较结果和第i-1次比较结果的分为8种情况，以分别对各个电容上的电压信号进行切换。

以i＝4进行说明，在比较器进行第四次比较之前，基于第一次比较结果、第二次比较结果和第三次比较结果，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm或第三参考电压GND，或与反相低位电容阵列的电容C_N1相连的反相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm或第三参考电压GND。

具体地，结合图3和图4进行说明，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为1、第i-1(即3)次比较结果为1时，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第三参考电压GND，即电容C_P1下极板由第一参考电压V_cm切换连接至第三参考电压GND，电容C_P1下极板上的电压信号减小V_cm，同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图5进行说明，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为1、第i-1(即3)次比较结果为0时，与反相低位电容阵列的电容C_N1相连的反相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm。即反相低位电容阵列的电容C_N1下极板由第二参考电压V_ref切换连接至第一参考电压V_cm。电容C_N1下极板上的电压信号减小V_cm，反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图6进行说明，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为0、第i-1(即3)次比较结果为1时，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第三参考电压GND，电容C_P1下极板由第一参考电压V_cm切换连接至第三参考电压GND，电容C_P1下极板上的电压信号减小V_cm，同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图7进行说明，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为0、第i-1(即3)次比较结果为0时，与反相低位电容阵列的电容C_N(1)相连的反相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，电容C_N1下极板由第二参考电压V_ref切换连接至第一参考电压V_cm。由此，电容C_N1下极板上的电压值减小V_cm，反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图8进行说明，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为1、第i-1(即3)次比较结果为1时，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，电容C_P1下极板由第二参考电压V_ref切换连接至第一参考电压V_cm。由此，电容C_P1下极板上的电压信号减小V_cm，同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图9进行说明，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为1、第i-1(即3)次比较结果为0时，与反相低位电容阵列的电容C_N1相连的反相低位选择开关切换连接至第三参考电压GND，电容C_N1下极板由第一参考电压V_cm切换连接至第三参考电压GND，电容C_N1下极板上的电压信号减小V_cm，反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图10进行说明，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为0、第i-1(即3)次比较结果为1时，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，电容C_P1下极板由第二参考电压V_ref切换连接至第一参考电压V_cm。由此，电容C_P1下极板上的电压信号减小V_cm，同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

结合图3和图11进行说明，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为0、第i-1(即3)次比较结果为0时，与反相低位电容阵列的电容C_N1相连的反相低位选择开关切换连接至第三参考电压GND，电容C_N1下极板由第一参考电压V_cm切换连接至第三参考电压GND，电容C_N1下极板上的电压信号减小V_cm，反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/8V_ref)。

如此，比较器10根据切换后所得到的同相输入端V_IP和反相输入端V_IN的电压信号进行比较，得到MSB-i-1(MSB-3)位值。具体第三次比较原理参见上述实施例所述的比较原理，在此不做详细赘述。

当i＝n＝5时，在比较器进行第五次比较之前，基于第一次比较结果、第二次比较结果、第三次比较结果和第四次比较结果，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，或C_P1下级板上的电压减小或增加至第一参考电压V_cm的一半；反相低位电容阵列的电容C_N1或C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，或C_N1下级板上的电压减小或增加至第一参考电压V_cm的一半。

具体地，如图4所示，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为1、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为0时，同相低位电容阵列的电容C_P1下级板上的电压增大至第一参考电压V_cm的一半(即由第三参考电压GND切换至1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值增加1/2^i-1V_ref(即增加1/16V_ref)。

在第一次比较结果为1、第二次比较结果为1、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为1时，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如图5所示，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为1、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为0时，反相低位电容阵列的电容C_N1下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则反相输入端V_IN的电压值增加1/2^{i- 1}V_ref(即减小1/16V_ref)。

在第一次比较结果为1、第二次比较结果为1、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为1时，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如图6所示，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为0、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为0时，同相低位电容阵列的电容C_P1下级板上的电压增大至第一参考电压V_cm的一半(即由第三参考电压GND切换至1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值增加1/2^{i- 1}V_ref(即增加1/16V_ref)。

在第一次比较结果为1、第二次比较结果为0、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为1时，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如图7所示，在第一次比较结果为1、第二次比较结果为0、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为0时，反相低位电容阵列的电容C_N1下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则反相输入端V_IN的电压值减小1/2^{i- 1}V_ref(即减小1/16V_ref)。

在第一次比较结果为1、第二次比较结果为0、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为1时，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，则同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如图8所示，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为1、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为0时，反相低位电容阵列的电容C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，则反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

在第一次比较结果为0、第二次比较结果为1、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为1时，同相低位电容阵列的电容C_P1下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值减小1/2^i-1V_ref(即增加1/16V_ref)。

如图9所示，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为1、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为1时，反相低位电容阵列的电容C_N1下级板上的电压增加至第一参考电压V_cm的一半(即由第三参考电压GND切换至1/2V_cm)，则反相输入端V_IN的电压值增加1/2^{i- 1}V_ref(即增加1/16V_ref)。

在第一次比较结果为0、第二次比较结果为1、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为0时，反相低位电容阵列的电容C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，则反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如图10所示，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为0、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为0时，反相低位电容阵列的电容C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，则反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如图11所示，在第一次比较结果为0、第二次比较结果为0、第三次比较结果为1、第i-1(即4)次比较结果为1时，同相低位电容阵列的电容C_P1下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半(即由第一参考电压V_cm调节为1/2V_cm)，则同相输入端V_IP的电压值减小1/2^{i- 1}V_ref(即减小1/16V_ref)。

H：在第一次比较结果为0、第二次比较结果为0、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为1时，反相低位电容阵列的电容C_N1下级板上的电压增加至第一参考电压V_cm的一半(即由第三参考电压GND切换至1/2V_cm)，则反相输入端V_IN的电压值增加1/2^i-1V_ref(即增加1/16V_ref)。

在第一次比较结果为0、第二次比较结果为0、第三次比较结果为0、第i-1(即4)次比较结果为0时，反相低位电容阵列的电容C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，则反相输入端V_IN的电压值减小1/2^i-1V_ref(即减小1/16V_ref)。

如此，比较器10根据切换后所得到的同相输入端V_IP和反相输入端V_IN的电压信号进行比较，得到最低位即LSB位的值。具体地，若同相输入端V_IP的电压大于反相输入端V_IN的电压，则LSB位置1；若反相输入端V_IN的电压大于同相输入端V_IP的电压，则LSB位置0。

可见，本实用新型实施例仅在最后一次比较阶段(即第5次比较阶段)，引入1/2V_cm，如此，降低了对开关单元的精度要求，从而降低电路的复杂度。由此，仅有一端的电容阵列(同相低位电容阵列或反相低位电容阵列)存在损耗，从而显著降低了模数转换装置在数据转换过程中所产生的功耗。此外，通过实践研究表明，本实用新型实施例的模数转换装置在数据转换过程中的能量利用率达到99.48％，比现有技术的方案提高了0.25～0.35％，由此，本实用新型的模数转换装置在数据转换过程中的能量利用率得到了大幅度的提高。

如图12所示，以10位SAR ADC为例，与现有的共模型开关策略SARADC的功耗分布相比，本实用新型实施例的模数转换装置在数据切换过程中所产生的功耗明显低于现有技术中共模型开关切换策略所产生的功耗。

需要说明的是，本实用新型实施例的模数转换装置在通过比较器10对其所采集的电压信号进行比较的过程中，可将比较的电压信号替换为电流信号，具体实现过程可参见电压信号比较的实现原理，在此不做详细赘述。并且，通过比较器10对其所采集的电压信号进行比较的过程中，具体控制多个同相高位选择开关401、多个反相高位选择开关402、同相低位选择开关403以及与反相低位选择开关404切换连接至电压单元60中对应的电压相连的控制过程或控制算法为现有技术已经公知的实现算法，在此不做详细说明。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种模数转换装置，其特征在于，包括：

比较器；

与所述比较器的同相输入端相连的同相低位电容阵列和多个同相高位拆分电容，同相低位电容阵列中电容的电容值为C_Pm＝2^m-1C，每一同相高位拆分电容的电容值为2^n-5C；

与所述比较器的反相输入端相连的反相低位电容阵列和多个反相高位拆分电容，反相低位电容阵列中电容的电容值为C_Nm＝2^m-1C，每一反相高位拆分电容的电容值为2^n-5C；

分别与所述同相低位电容阵列、多个同相高位拆分电容、反相低位电容阵列、多个反相高位拆分电容相连的开关选择单元，用于分别调节各个电容上的电压值；以及

与所述比较器的输出端相连的逐渐逼近逻辑控制电路，用于控制所述开关选择单元与对应的电压单元相连；

其中，m∈[1，n-4]，n大于或等于5，C_P0＝C，C_N0＝C。

2.根据权利要求1所述的模数转换装置，其特征在于，

所述多个同相高位拆分电容和所述多个反相高位拆分电容的数量均为两个，且两个同相高位拆分电容相并联，两个反相高位拆分电容相并联。

3.根据权利要求2所述的模数转换装置，其特征在于，

所述开关选择单元由与两个同相高位拆分电容对应连接的两个同相高位选择开关、与两个反相高位拆分电容对应连接的两个反相高位选择开关、与同相低位电容阵列中每一电容对应连接的同相低位选择开关以及与反相低位电容阵列中每一电容对应连接的反相低位选择开关构成。

4.根据权利要求2所述的模数转换装置，其特征在于，

所述电压单元包括第一参考电压V_cm、第二参考电压V_ref以及第三参考电压GND。

5.根据权利要求4所述的模数转换装置，其特征在于，

所述模数转换装置的总电容值为2^n-2C。

6.根据权利要求4所述的模数转换装置，其特征在于，

在所述比较器进行第一次比较之前，两个同相高位选择开关和两个反相高位选择开关均连接至第三参考电压GND，同相低位选择开关和反相低位选择开关均连接至第一参考电压V_cm；

在所述比较器进行第二次比较之前，基于第一次比较结果，两个反相高位选择开关或两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，且反相低位选择开关或同相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref；

在所述比较器进行第三次比较之前，基于第一次比较结果和第二次比较结果，两个反相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref或第一参考电压V_cm，两个同相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref或第一参考电压V_cm；

其中，n＝5，同相低位电容阵列由电容C_P1和电容C_P0构成，反相低位电容阵列由电容C_N1和电容C_N0构成。

7.根据权利要求6所述的模数转换装置，其特征在于，

第一次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，反相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref；

第一次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm，同相低位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。

8.根据权利要求6所述的模数转换装置，其特征在于，

第一次比较结果为1且第二次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref；

第一次比较结果为1且第二次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm；

第一次比较结果为0且第二次比较结果为1时，两个反相高位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm；

第一次比较结果为0且第二次比较结果为0时，两个同相高位选择开关切换连接至第二参考电压V_ref。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的模数转换装置，其特征在于，

在所述比较器进行第四次比较之前，基于第一次比较结果、第二次比较结果和第三次比较结果，与同相低位电容阵列的电容C_P1相连的同相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm或第三参考电压GND，或与反相低位电容阵列的电容C_N1相连的反相低位选择开关切换连接至第一参考电压V_cm或第三参考电压GND；

在所述比较器进行第五次比较之前，基于第一次比较结果、第二次比较结果、第三次比较结果和第四次比较结果，同相低位电容阵列的电容C_P0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，或C_P1下级板上的电压减小或增加至第一参考电压V_cm的一半；反相低位电容阵列的电容C_N1或C_N0下级板上的电压减小至第一参考电压V_cm的一半，或C_N1下级板上的电压减小或增加至第一参考电压V_cm的一半。

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