專利名稱：一種能量節(jié)省型電容陣列的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種中高精度、中等轉(zhuǎn)換速率、超低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié) 構(gòu)。對(duì)于傳感器、便攜式設(shè)備及生物應(yīng)用來說，要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠工作在低電源電壓下。 然而隨著電源電壓的降低，電路的增益受到了限制，而逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)只包括 比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和逐次逼近寄存器而不需要提供增益的電路。數(shù)字電路的功耗會(huì)隨著 工藝尺寸縮減比例(sealing-down)不斷減小，而模擬電路的功耗很難隨著工藝的進(jìn)步而減 小。本發(fā)明提出的開關(guān)方法針對(duì)于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以大幅 度地減小電容開關(guān)操作的平均功耗，節(jié)省了逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬功耗。圖1所示 的是通常采用的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖，主要由跟蹤保持電路10、采樣開關(guān)11、比 較器12、電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13、控制邏輯14構(gòu)成。圖2是傳統(tǒng)逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電 容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方法。圖3、4、5、6、7、8是能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電容 陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種電容的平均開關(guān)功耗小的能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù) 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，由跟蹤保持電路10、比較器12、控制 邏輯14構(gòu)成，跟蹤保持電路10由采樣開關(guān)11和電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13構(gòu)成。其中
模擬輸入信號(hào)經(jīng)過跟蹤保持電路10得到保持信號(hào)；
電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13進(jìn)行開關(guān)操作，產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓值，該基準(zhǔn)電壓值和保持信 號(hào)通過比較器12比較出信號(hào)大小大小；
根據(jù)比較器12比較出的信號(hào)大小，由控制邏輯14決定電容陣列的最高位(MSB)開關(guān) 接或地，電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13開始電荷重分布；
當(dāng)電荷重分布完成后，比較器比較出信號(hào)大小，控制邏輯14根據(jù)比較結(jié)果，決定電 容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的次高位接保持或地，這個(gè)過程一直進(jìn)行下去直到比較出最低位 (LSB)信號(hào)；
從最高位(MSB)到最低位(LSB)的輸出數(shù)字碼存在控制邏輯(14)的寄存器中，從而完 成了一次轉(zhuǎn)換。本發(fā)明提出的能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于模擬輸入信號(hào)經(jīng) 過跟蹤保持電路得到保持信號(hào)，第一次開關(guān)消耗能量為0 ；根據(jù)保持得到的保持信號(hào)，電容 陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開關(guān)操作，比較出Vip、vin的大小，根據(jù)比較器的輸出結(jié)果，由控制邏輯 決定電容陣列的開關(guān)連接方式，當(dāng)電容陣列的電荷重分布好以后；如果Vip>vin，比較器比較 Vip-Vin與Vkef/2的大小，如果Vip<Vin，比較器比較Vip-Vin與-Vkef/2的大小，根據(jù)比較器的輸出結(jié)果，由控制邏輯決定電容陣列的開關(guān)連接方式，電荷再次重分布，這個(gè)一直重復(fù)進(jìn)行下 去，直到比完最后一個(gè)比特。本發(fā)明中，能量節(jié)省型的開關(guān)時(shí)序控制的特點(diǎn)在于N個(gè)二進(jìn)制權(quán)重的電容可以實(shí) 現(xiàn)分辨率為N+1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明中，能量節(jié)省型的開關(guān)時(shí)序控制的特點(diǎn)還在于第一次及第二次轉(zhuǎn)換，電容 陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13不消耗能量。而且，第一、二次轉(zhuǎn)換之后每次轉(zhuǎn)換能量均比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 換能量小。本發(fā)明的電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器13和其他結(jié)構(gòu)的電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器相比，在同 等分辨率下電容總值較小。本發(fā)明可推廣到任何分辨率的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。例如本發(fā)明可用至單端、 全差分及偽差分的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。


圖1顯示逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器開關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖3顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器前三次開關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖4顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號(hào)范圍 4的第四次開關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖5顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號(hào)范圍的第四次開關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖6顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號(hào)范圍
的第四次開
關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖7顯示能量節(jié)省電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器在輸入信號(hào)范圍Vref,-Vref]的第四次
開關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖8顯示分辨率擴(kuò)展至N的能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換示意圖。圖中標(biāo)號(hào)10表示跟蹤保持電路。11表示采樣開關(guān)。12表示比較器。13表示 電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器。14表示控制邏輯。20表示傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一次開關(guān) 轉(zhuǎn)換消耗能量值。21表示當(dāng)Vip>Vin時(shí)傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關(guān)轉(zhuǎn)換消耗能 量值。22表示當(dāng)￥&<\11時(shí)傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關(guān)轉(zhuǎn)換消耗能量值。23表 示當(dāng)V,ef/2<Vip-Vin<V,ef時(shí)傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)轉(zhuǎn)換消耗能量值。24表 示當(dāng)0<Vip-Vin<V,ef//2時(shí)傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)轉(zhuǎn)換消耗能量值。25表示 當(dāng)-V,ef/2<Vip-Vin<0時(shí)傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)轉(zhuǎn)換消耗能量值。26表示 當(dāng)-VMf<Vip-Vin<-VMf/2時(shí)傳統(tǒng)電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)轉(zhuǎn)換消耗能量值。30表 示采樣開關(guān)閉合。31表示采樣開關(guān)打開。32表示當(dāng)Vip>Vin時(shí)電容連接方法。33表示 當(dāng)Vip<Vin時(shí)電容連接方法。34表示當(dāng)Vref/2<Vip-Vin<Vref時(shí)電容連接方法。35表示當(dāng) <Vip-Vin<VMf/2時(shí)電容連接方法。36表示當(dāng)-VMf/2<Vip-Vin<0時(shí)電容連接方法。37表示 當(dāng)-VMf<Vip-Vin<-VMf/2時(shí)電容連接方法。38表示能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器由跟蹤階 段到保持階段第一次開關(guān)消耗能量值。39表示當(dāng)Vip>Vin時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換 器第二次開關(guān)消耗能量值。40表示當(dāng)Vip<Vin時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開 關(guān)消耗能量值。41表示當(dāng)Vref/2<Vip-Vin<Vref時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān) 消耗能量值。42表示當(dāng)0<Vip-Vin<Vref/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消 耗能量值。43表示當(dāng)-Vref/2<Vip-Vin<0時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消耗 能量值。44表示當(dāng)-Vref<Vip-Vin<-Vref/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消耗 能量值。45表示當(dāng)3V,ef/4<Vip-Vin< Vref時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關(guān)消耗 能量值。46表示當(dāng)Vref/2<Vip-Vin< 3V&/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關(guān) 消耗能量值。47表示當(dāng)V,ef/4<Vip-Vin< V,ef/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開 關(guān)消耗能量值。48表示當(dāng)0<Vip-Vin< V&/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關(guān) 消耗能量值。49表示當(dāng)-V,ef/4<Vip-Vin< 0時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關(guān) 消耗能量值。50表示當(dāng)-Vref/2<Vip-Vin< _Vref/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次 開關(guān)消耗能量值。51表示當(dāng)-3Vref/4<Vip-Vin< -V&/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器 第四次開關(guān)消耗能量值。52表示當(dāng)-Vref<Vip-Vin< -3V&/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn) 換器第四次開關(guān)消耗能量值。53表示當(dāng)3V,ef/4<Vip-Vin< V,ef時(shí)電容連接方法。54表示當(dāng) Vref/2<Vip-Vin<3Vref/4時(shí)電容連接方法。55表示當(dāng)Vref/4<Vip-Vin<Vref/2時(shí)電容連接方法。56 表示當(dāng)0<Vip-Vin< V&/4時(shí)電容連接方法。57表示當(dāng)-Vref/4<Vip-Vin< 0時(shí)電容連接方法。 58 表示當(dāng)-VMf/2<Vip-Vin<-Vref/4 時(shí)電容連接方法。59 表示當(dāng)-3VMf/4<Vip_Vin< -Vref/2 時(shí) 電容連接方法。60表示當(dāng)-Vref<Vip-Vin<-3VMf/4時(shí)電容連接方法。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。圖3、4、5、6、7是本發(fā)明提出的能量節(jié)省型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖，該示意圖 以4比特為例，圖3是前3比特轉(zhuǎn)換，圖4、5、6、7是第4比特轉(zhuǎn)換，其工作原理是
(1)模擬輸入信號(hào)經(jīng)過跟蹤保持電路(31)得到保持信號(hào)，第一次開關(guān)消耗能量為0 (38)。(2)根據(jù)電容陣列上的保持信號(hào)大小，比較器作出比較，判斷Vip和Vin的大小。當(dāng) Vip>Vin時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關(guān)消耗能量為0 (39)，當(dāng)Vip<Vin時(shí)能量 節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二次開關(guān)消耗能量為0 (40)。(3)如果Vip>Vin，上邊的電容陣列接Vcm(32)，比較器比較Vip-Vil^P \Jl的大小， 當(dāng)VMf/2<Vip-Vin<VMf時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消耗能量為(1 / 8)CV|ef (41)，當(dāng)0<Vip-Vin<VMf/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消耗能量為 (1/4)CVr2ef (42)。(4)如果Vip<Vin，下邊的電容陣列接Vcm(33)，比較器比較Vip-Vil^P Vref/2的大小， 當(dāng)-VMf/2<Vip-Vin<0時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消耗能量為(1/4)CVr2ef (43)，當(dāng)-Vref<Vip-Vin<-Vref/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第三次開關(guān)消耗能量為_C%2ef (44)。(5)如果VMf/2<Vip_Vin<VMf，上邊的電容陣列最高位電容(34)接地，比較器比較 Vip-Vin和3V&/4的大小，當(dāng)3V,rf/4<Vip-Vin< Vref時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次
開關(guān)消耗能量為(1/ 16PVR2EF (45)，當(dāng)Vref/2<Vip-Vin< 3Vref/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模 轉(zhuǎn)換器第四次開關(guān)消耗能量為(1/8PV|EF (46)。(6)如果0<Vip-Vin<Vref/2，下邊的電容陣列最高位電容(35)接VCM，比較器比較 Vip-Vin和V,rf/4的大小，當(dāng)vref/4<vip-vin< Vref/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次
開關(guān)消耗能量為(1/ 16)C%2ef (47),當(dāng)0<Vip-Vin< Vref/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器 第四次開關(guān)消耗能量為(48)。(7)如果-VMf/2<Vip_Vin<0，下邊的電容陣列最高位電容(36)接地，比較器比較 Vip-Vin和-V&/4的大小，當(dāng)-VMf/4<Vip-Vin< 0時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開
關(guān)消耗能量為(1/8)C%2ef (49),當(dāng)-VrefAaip-Vi/ -Vref/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn) 換器第四次開關(guān)消耗能量為(1/16)Cl/R2EF (50)。(8)如果-Vref<Vip-Vin<_Vref/2，上邊的電容陣列最高位電容(34)接VCM，比較器比 較1-1和_3Vref/4的大小，當(dāng)-3Vref/4<Vip-Vin< -Vref/2時(shí)能量節(jié)省型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換
器第四次開關(guān)消耗能量為(1/(51),當(dāng)-VMf<Vip-Vin< -3Vref/4時(shí)能量節(jié)省型電容陣
列數(shù)模轉(zhuǎn)換器第四次開關(guān)消耗能量為(1/16)CVr2ef (52)。(9)如果3Vref/4<Vip_Vin< VMf，上邊的電容陣列次高位電容(53)接地，比較器比較 Vip-Vin 和 7V&/8 的大小。(10)如果Vref/2<Vip_Vin<3Vref/4，下邊的電容陣列次高位電容(54)接VCM，比較器比 較 Vip-Vil^n 5Vref/8 的大小。(11)如果Vref/4<Vip_Vin<Vref/2，上邊的電容陣列次高位電容(55)接地，比較器比 較 Vip-Vil^n 3Vref/8 的大小。(12)如果0<Vip-Vin< Vref/4，下邊的電容陣列次高位電容(56)接VCM，比較器比較 Vip-Vin和V&/8的大小。(13)如果-V,ef/4<Vip_Vin< 0，下邊的電容陣列次高位電容(57)接地，比較器比較 Vip-Vin 和-V&/8 的大小。(14)如果-VMf/2<Vip-Vin<_Vref/4，上邊的電容陣列次高位電容(58)接VCM，比較器 比較Vip-Vin和_3Vref/8的大小。(15)如果-3Vref/4<Vip_Vin< -V&/2，下邊的電容陣列次高位電容(59)接地，比較 器比較Vip-Vil^n _5Vref/8的大小。(16)如果-Vref<Vip-Vin<_3Vref/4，上邊的電容陣列次高位電容(60)接VCM，比較器比 較Vip-Vin和-7Vref/8的大小。圖8是擴(kuò)展至N比特的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖，其開關(guān)時(shí)序方法與上述4比 特的相同。
權(quán)利要求
1.一種能量節(jié)省型逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其特征在于由跟蹤保持電路(10)、比 較器(12)、控制邏輯(14)構(gòu)成，跟蹤保持電路(10)由采樣開關(guān)(11)和電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (13)構(gòu)成；其中模擬輸入信號(hào)經(jīng)過跟蹤保持電路(10)得到保持信號(hào)；電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13)進(jìn)行開關(guān)操作，產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓值，該基準(zhǔn)電壓值和保持 信號(hào)通過比較器(12)比較出信號(hào)大小大小；根據(jù)比較器(12)比較出的信號(hào)大小，由控制邏輯(14)決定電容陣列的最高位(MSB)開 關(guān)接Vref或地，電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器(13)開始電荷重分布；當(dāng)電荷重分布完成后，比較器比較出信號(hào)大小，控制邏輯(14)根據(jù)比較結(jié)果，決定電 容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的次高位接保持或地，這個(gè)過程一直進(jìn)行下去直到比較出最低位 (LSB)信號(hào)；從最高位(MSB)到最低位(LSB)的輸出數(shù)字碼存在控制邏輯(14)的寄存器中，從而完 成了一次轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量節(jié)省型逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其特征在于模擬輸 入信號(hào)經(jīng)過跟蹤保持電路得到保持信號(hào)，第一次開關(guān)消耗能量為0 ；根據(jù)保持得到的保持 信號(hào)，電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行開關(guān)操作，比較出Vip、Vin的大小，根據(jù)比較器的輸出結(jié)果， 由控制邏輯決定電容陣列的開關(guān)連接方式，當(dāng)電容陣列的電荷重分布好以后；如果Vip>Vin， 比較器比較Vip-Vin與Vkef/2的大小，如果Vip<Vin，比較器比較Vip-Vin與-Vkef/2的大小，根據(jù) 比較器的輸出結(jié)果，由控制邏輯決定電容陣列的開關(guān)連接方式，電荷再次重分布，這個(gè)一直 重復(fù)進(jìn)行下去，直到比完最后一個(gè)比特。
全文摘要
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種能量節(jié)省型電容陣列的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)由采樣開關(guān)、跟蹤保持電路、比較器、控制邏輯、電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其中電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用了本發(fā)明提出的新型電容陣列數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方式。該方式能夠減小電容的平均開關(guān)功耗。
文檔編號(hào)H03M1/38GK102006075SQ20101060214
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者任俊彥, 葉凡, 李寧, 王振宇, 王明碩, 許俊, 顧蔚如 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)