專利名稱：用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(Analog-to-Digital Converter，ADC)，尤其是涉 及一種通過對逐次漸近型積分器的輸入?yún)⒖茧妷旱恼{(diào)整有效的實現(xiàn)以最小的動態(tài)范圍的 逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(SAR ADC)。
背景技術(shù)：
逐次漸近型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter, SAR ADC)誕生于20世紀40年代的美國貝爾實驗室，SAR ADC仍是當今流行的ADC的主要架構(gòu)之一。盡管實現(xiàn)SAR ADC的方式千差萬別，但其基本結(jié)構(gòu)非常簡單。模擬輸入電壓Vin 由采樣/保持電路保持。如

圖1所示，為電容式DAC實現(xiàn)SAR ADC的電路示意圖。電容式
DAC包括一個由N個按照二進制加權(quán)排列的電容Cp C2, C3.....Cn (N表示將模擬輸入信號
Vin進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號位數(shù))和一個電容Ctl組成的陣列；假如最低位對應(yīng) 的電容 C1 = C，那么，C0 = C ;C2 = 2C ；C3 = 4C ；. . . ;CN = 2n_1C0 電容 C” C2、C3、. . .、Cn 以 及電容Ctl的公共端通過開關(guān)Sx接地，且該公共端連接比較器的負輸出端；另外，CO通過切
換開關(guān)Stl在模擬輸入信號Vin和地GND之間切換，而電容Cp C2, C3.....Cn的自由端分別
通過開關(guān)Sp S2.....Sn在模擬輸入信號Vin、參考電壓信號Vref和地GND之間切換。在采樣階段，由開關(guān)Sx將電容陣列的公共端接地，而電容陣列的自由端連接到輸 入信號Vin。采樣后，公共端與地斷開，自由端與Vin斷開，在電容陣列上有效地獲得了與輸 入電壓成比例的電荷量。然后，將所有電容的自由端接地，驅(qū)動公共端(其電壓為Vx)至一 個負壓-Vin。作為二進制搜索算法的第一步，比較器U1先輸出數(shù)字信號的最高位(即第N位)。 電容Cn通過開關(guān)Sn與地斷開并切換連接至參考電壓信號Vref，驅(qū)動公共端Vx向正端移動 l/2*Vref。因此，Vx = _Vin+l/2XVref。如果Vx < 0 (即 Vin > 1/2 X Vref)，比較器輸出為邏輯 1。如果 Vin < 1/2 X Vref, 比較器輸出為邏輯0;如果比較器輸出為邏輯1，最高位的電容Cn保持連接至考電壓信號 Vref,否則，最高位的電容Cn通過開關(guān)Sn連接至地。第二步，對應(yīng)轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號次高位的電容CV1通過開關(guān)Sim連接至Vref，此時 當上一步比較器輸出邏輯為1時，Vx = -Vin+(1/2+1/4) XVref ；當上一步比較器U1輸出邏 輯為0時，Vx = -Vin+(1/2-1/4) X Vref。將新的Vx電壓與地電位進行比較，比較器U1輸 出對應(yīng)的邏輯。繼續(xù)上述過程，一共經(jīng)過N步直至數(shù)字信號所有位的值均確定下來。簡言之，Vx= -Vin+B^!XVref/2+BN_2XVref/4+BN_3XVref/8+. · · +B0XVref/2Ν_1, 其中B為比較器U1輸出的數(shù)字信號對應(yīng)位數(shù)的邏輯電平，且該數(shù)字信號從最低位至最高位 分別為第1位至第N位。從前面描述的SAR ADC的工作原理可知，SAR ADC的最小可分辨電壓與其位數(shù)N成反比。如果基準電壓Vref = IV，SAR ADC的量化位數(shù)N = 8，那么其最小可分辨電壓約為 3. 9mV，即SAR ADC的最低有效位LSB = 3. 9mV。而基準電壓Vref = IV則限定了 SARADC可 有效轉(zhuǎn)換的動態(tài)范圍為0 IV。現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于動態(tài)范圍無法靈活設(shè)置，而且最小可分辨電壓值也不夠低， 這樣就容易造成應(yīng)用和成本上的浪費。例如應(yīng)用中碰到被測電壓信號的范圍為0.5V 0. 6V，而系統(tǒng)要求的最小可分辨電壓不超過0. 5mV,按照現(xiàn)有技術(shù)至少需要使用N = 11位的 SARADC0而最低有效位LSB = 0. 5mV,N = 11位的SARADC可實現(xiàn)的測量動態(tài)范圍可達0 IV，對于0. 5V 0. 6V的測量范圍而言，顯然在應(yīng)用上有90%的動態(tài)范圍被浪費了。如果能 夠?qū)討B(tài)范圍縮小到與測量范圍相等，那么只需要N = 8位的SAR ADC即可。再來看實際電路的設(shè)計，假設(shè)最小單位電容的大小為C，那么11位的二進制電容 陣列需要的總電容大小為2048C，而8位的二進制電容陣列需要的總電容大小僅為256C。顯 然，電路在電容的成本上也存在著87. 5%的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種通過對逐次漸近型積分器的輸入?yún)⒖茧妷旱恼{(diào)整有效的實現(xiàn)以 最小的動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(SAR ADC)，解決現(xiàn)有SAR ADC存在浪費動態(tài)范 圍的技術(shù)問題。本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其包括具有模擬輸入電壓Vin的模擬輸入信號；輸入信號為三個參考電壓Vrp、Vrn和Vcm的積分器，按二進制搜索算法驅(qū)動其輸 出端輸出電壓Vda;正輸入端連接模擬輸入信號、負輸入端接積分器的輸出電壓Vda的比較器，其輸 出端逐步輸出N位數(shù)字信號；逐次漸近型的積分器包括由N-I個按照二進制加權(quán)排列的電容Cp C2, C3.....
CN_!分別串接開關(guān)Si、S2、S3.....Sh組成的二進制電容陣列，其中，開關(guān)Si、S2.....Sn^1的
其中一個切換端連接參考電壓Vcm，另一個切換端通過第一開關(guān)Sa連接參考電壓Vrn、通過 第二開關(guān)Sb連接參考電壓Vrp，且二進制電容陣列連接運算放大器的負輸入端；正輸入端 連接參考電壓Vcm的運算放大器，其輸出端連接比較器的負輸入端；積分電容Cx串接開關(guān) Sx3后連接在運算放大器的負輸入端與輸出端之間，且積分電容Cx與開關(guān)Sx3的公共端通過 開關(guān)Sx2接入?yún)⒖茧妷篤cm，而開關(guān)Sxl連接在運算放大器的負輸入端與輸出端之間；其中，N表示將模擬輸入信號進行模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號位數(shù)；Vcm為Vrp 和Vrn的中間值，Vrp和Vrn的差值限定了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)范圍。其中，積分器驅(qū)動輸出電壓Vda實現(xiàn)比較器輸出第1位數(shù)字信號的步驟包括開關(guān) S1 SN_i分別將二進制電容陣列連接到參考電壓Vcm，開關(guān)Sxl導(dǎo)通讓運算放大器處于單位 增益負反饋的工作狀態(tài)，開關(guān)Sx2導(dǎo)通，開關(guān)Sx3斷開，使參考電壓Vcm分別被二進制電容陣 列和積分電容Cx采樣；開關(guān)Sxl和Sx2斷開，開關(guān)Sx3導(dǎo)通，將參考電壓Vcm送至運算放大器 的輸出端，由比較器將運算放大器的輸出電壓Vda與模擬輸入信號Vin進行比較；若Vin > Vda，則比較器輸出Vout = 1作為輸出數(shù)字信號的第1位，并控制第一開關(guān)Sa斷開，第二開關(guān)Sb導(dǎo)通；若Vin < Vda,則比較器輸出Vout = O作為輸出數(shù)字信號的第1位，并控制第一 開關(guān)Sa導(dǎo)通，第二開關(guān)Sb斷開。其中，積分器驅(qū)動輸出電壓Vda實現(xiàn)比較器輸出第m位數(shù)字信號的步驟包括根 據(jù)第1步中比較器輸出端的輸出結(jié)果，控制開關(guān)sN_m+1將電容CN_m+1的下極板接到參考電壓 Vrp或Vrn ；控制開關(guān)Sxl導(dǎo)通讓運算放大器處于單位增益負反饋的工作狀態(tài)，開關(guān)Sx2導(dǎo)通， 開關(guān)Sx3斷開，此時參考電壓Vcm被積分電容Cx采樣、參考電壓Vrn或參考電壓Vrp被電容 CV1的電容采樣，然后開關(guān)Sxl和Sx2斷開，開關(guān)Sx3導(dǎo)通，開關(guān)SN_m+1將電容CN_m+1的下極板接 到參考電壓Vcm，驅(qū)動運算放大器輸出端電壓Vda至比較器；由比較器將運算放大器輸出端 電壓Vda與模擬輸入信號的電壓Vin進行比較，若Vin > Vda，則比較器輸出Vout = 1作 為輸出數(shù)字信號的第m位，若Vin < Vda，則比較器輸出Vout = O作為輸出數(shù)字信號的第m 位；根據(jù)第m步比較器的輸出結(jié)果控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電壓Vrp或 Vrn采樣，還是對Vcm采樣；其中，1 <111<隊且111為整數(shù)。其中，若在第1步中比較器輸出Vout = 1，則控制第一開關(guān)Sa斷開且第二開關(guān)Sb 導(dǎo)通，將參考電壓Vrp通過開關(guān)SN_m+1接入到電容CN_m+1 ；若在第1步中比較器輸出Vout = 0，則控制第一開關(guān)Sa導(dǎo)通，第二開關(guān)Sb斷開，將參考電壓Vrn通過開關(guān)SN_m+1接入到電容
。N-m+i °其中，在第1步中比較器輸出Vout = 1時，若第m步中比較器輸出Vout = 1，則控 制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電壓Vrp采樣，若第m步中比較器輸出Vout = 0，則控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電壓Vcm采樣；在第1步中比較器輸出 Vout = O時，若第m步中比較器輸出Vout = 1，則控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對 參考電壓Vcm采樣，若第m步中比較器輸出端Vout = 0，則控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的 步驟中對參考電壓Vrn采樣。其中，運算放大器輸出端電壓
權(quán)利要求
1.一種用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括輸入信號為三個參考電壓Vrp、Vrn和Vcm的逐次漸近型積分器，按二進制搜索算法驅(qū) 動其輸出端輸出電壓Vda;正輸入端連接輸入電壓Vin的模擬輸入信號、負輸入端接積分器的輸出電壓Vda的比 較器，其輸出端逐步輸出N位數(shù)字信號；積分器包括由N-I個按照二進制加權(quán)排列的電容CpCyC3.....CV1分別串接開關(guān)SpS2、S3.....Sim組成的二進制電容陣列，其中，開關(guān)Sp S2.....Sn^1的其中一個切換端連接參考電壓Vcm，另一個切換端通過第一開關(guān)Sa連接參考電壓Vrn、通過第二開關(guān)Sb連接參考 電壓Vrp，且二進制電容陣列連接運算放大器的負輸入端；正輸入端連接參考電壓Vcm的運 算放大器，其輸出端連接比較器的負輸入端；積分電容Cx串接開關(guān)Sx3后連接在運算放大 器的負輸入端與輸出端之間，且積分電容Cx與開關(guān)Sx3的公共端通過開關(guān)Sx2接入?yún)⒖茧妷?Vcm，而開關(guān)Sxl連接在運算放大器的負輸入端與輸出端之間；其中，N表示將模擬輸入信號進行模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號位數(shù)；Vcm為Vrp和Vrn 的中間值，Vrp和Vrn的差值限定了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于，積分器驅(qū)動輸出電壓Vda實現(xiàn)比較器輸出第1位數(shù)字信號的步驟包括開關(guān)S1 Sim分別將二進制電容陣列連接到參考電壓Vcm，開關(guān)Sxl導(dǎo)通讓運算放大器 處于單位增益負反饋的工作狀態(tài)，開關(guān)Sx2導(dǎo)通，開關(guān)Sx3斷開，使參考電壓Vcm分別被二進 制電容陣列和積分電容Cx采樣；開關(guān)Sxl和Sx2斷開，開關(guān)Sx3導(dǎo)通，將參考電壓Vcm送至運算放大器的輸出端，由比較器 將運算放大器的輸出電壓Vda與模擬輸入信號Vin進行比較；若Vin > Vda,則比較器輸出Vout = 1作為輸出數(shù)字信號的第1位，并控制第一開關(guān) Sa斷開，第二開關(guān)Sb導(dǎo)通；若Vin < Vda,則比較器輸出Vout = O作為輸出數(shù)字信號的第1 位，并控制第一開關(guān)Sa導(dǎo)通，第二開關(guān)Sb斷開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于，積分器驅(qū)動輸出電壓Vda實現(xiàn)比較器輸出第m位數(shù)字信號的步驟包括根據(jù)第1步中比較器輸出端的輸出結(jié)果，控制開關(guān)SN_m+1將電容CN_m+1的下極板接到參 考電壓Vrp或Vrn ；控制開關(guān)Sxl導(dǎo)通讓運算放大器處于單位增益負反饋的工作狀態(tài)，開關(guān)Sx2導(dǎo)通，開關(guān) Sx3斷開，此時參考電壓Vcm被積分電容Cx采樣、參考電壓Vrn或參考電壓Vrp被電容CN_m+1 的電容采樣，然后開關(guān)Sxl和Sx2斷開，開關(guān)Sx3導(dǎo)通，開關(guān)SN_m+1將電容CN_m+1的下極板接到參 考電壓Vcm，驅(qū)動運算放大器輸出端電壓Vda至比較器；由比較器將運算放大器輸出端電壓Vda與模擬輸入信號的電壓Vin進行比較，若Vin > Vda，則比較器輸出Vout = 1作為輸出數(shù)字信號的第m位，若Vin < Vda，則比較器輸出 Vout = O作為輸出數(shù)字信號的第m位；根據(jù)第m步比較器的輸出結(jié)果控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電壓Vrp 和參考電壓Vrn的其中之一或參考電壓Vcm采樣；其中，l<m<N，且m為整數(shù)；第1位為最高位，第N位為最低位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，若在第1步中比較器輸出Vout = 1，則控制第一開關(guān)Sa斷開且第二開關(guān)Sb導(dǎo)通，將參 考電壓Vrp通過開關(guān)SN_m+1接入到電容CN_m+1 ；若在第1步中比較器輸出Vout = 0，則控制第 一開關(guān)Sa導(dǎo)通，第二開關(guān)Sb斷開，將參考電壓Vrn通過開關(guān)SN_m+1接入到電容CN_m+1。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于，在第1步中比較器輸出Vout = 1時，若第m步中比較器輸出Vout = 1，則控制開關(guān)SN_m+1 在第m步之后的步驟中對參考電壓Vrp采樣，若第m步中比較器輸出Vout = 0，則控制開關(guān) SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電壓Vcm采樣；在第1步中比較器輸出Vout = O時，若 第m步中比較器輸出Vout = 1，則控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電壓Vcm采 樣，若第m步中比較器輸出端Vout = 0，則控制開關(guān)SN_m+1在第m步之后的步驟中對參考電 壓Vrn采樣。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于，運算放大器輸出端電壓+其中Vref = Vrp-Vrn0
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任何一項所述用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路，其特征在于，積分電容Cx的電容值為2^(，其中C為在二進制電容陣列中對應(yīng)第N位數(shù) 字信號的電容C1的電容值。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于實現(xiàn)最小動態(tài)范圍的逐次漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其包括具有模擬輸入電壓Vin的模擬輸入信號；輸入信號為三個參考電壓Vrp、Vrn和Vcm的逐次漸近型積分器，按二進制搜索算法驅(qū)動其輸出端輸出電壓Vda；正輸入端連接模擬輸入信號、負輸入端接積分器的輸出電壓Vda的比較器，其輸出端逐步輸出N位數(shù)字信號。本發(fā)明通過對逐次漸近型積分器的輸入?yún)⒖茧妷旱恼{(diào)整有效的實現(xiàn)以最小的動態(tài)范圍的SARADC電路來滿足實際應(yīng)用的要求，達到了既不浪費SARADC電路的動態(tài)范圍，又節(jié)省了實際電路成本的目的。
文檔編號H03M1/38GK102111156SQ20111004039
公開日2011年6月29日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者蔣大龍, 詹昶, 趙琮 申請人:深圳市銳能微科技有限公司