一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法，其開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)包括比輸出二進(jìn)制編碼數(shù)量少一個的電容對，通過對開關(guān)的時序全新安排及在電容陣列最低位電容處引入共模電平Vcm，省去了傳統(tǒng)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的補(bǔ)償電容，達(dá)到了N-1個電容對實現(xiàn)分辨率為N位的效果，并較傳統(tǒng)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器少了最高位和次高位兩個電容對，整個開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)總電容也降低75％。隨著電容的減小，充放電電流也相應(yīng)減小，從而降低了整體功耗，并且也減少了芯片面積，提高了經(jīng)濟(jì)效益。轉(zhuǎn)換過程中，比較器輸入端的共模電壓變化量與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，僅為共模抖動非常小。
【專利說明】一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種中高精度、中等速率、超低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。 對于無線傳感網(wǎng)、便攜式設(shè)備等應(yīng)用來說，模數(shù)轉(zhuǎn)換器被要求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，而逐次逼近型模數(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，不需要提供增益的電路。數(shù)字電路的功耗會隨著工 藝尺寸縮減比例不斷減小，而模擬電路的功耗很難隨著工藝的進(jìn)步而同步減小。電容型逐 次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在高分辨率情況下，需要使用大電容，不僅充放電功耗大，而且制作大 電容浪費芯片面積，經(jīng)濟(jì)效益不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：提出一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法，通過對開關(guān)的時序全 新安排及在電容陣列最低位電容處引入共模電平Vcm，在同等精度的情況下，電容值較傳統(tǒng) 方案減少75%。
[0004] 技術(shù)方案：一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括比較器和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)；所述開關(guān) 電容網(wǎng)絡(luò)包括連接所述比較器正相輸入端的正相電容網(wǎng)絡(luò)和連接所述比較器反相輸入端 的反相電容網(wǎng)絡(luò)；所述正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)分別包括比模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制 編碼位數(shù)N少一個的N-1個電容，每個電容非公共端通過開關(guān)選擇連接低電平VL或高電平 VH，最低位電容通過開關(guān)選擇連接低電平VL、高電平VH或共模電平Vcm。
[0005] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述正相電容網(wǎng)絡(luò)的電容公共端耦合在一起連接到所述 比較器的正相輸入端并通過正相開關(guān)連接輸入信號Vip ;所述正相電容網(wǎng)絡(luò)的電容非公共 端分別通過開關(guān)選擇連接低電平VL或高電平VH ;正相電容網(wǎng)絡(luò)的最低位電容的非公共端 還通過開關(guān)選擇連接共模電平Vcm ;所述反相電容網(wǎng)絡(luò)的電容公共端耦合在一起連接到所 述比較器的反相輸入端并通過反相開關(guān)連接輸入信號Vin ;所述反相電容網(wǎng)絡(luò)的電容非公 共端分別通過開關(guān)選擇連接低電平VL或高電平VH ;反相電容網(wǎng)絡(luò)的最低位電容的非公共 端還通過開關(guān)選擇連接共模電平Vcm。
[0006] 進(jìn)一步的，所述正相電容網(wǎng)絡(luò)中，最低位電容即第一電容的電容值為C，第二至第 N-1個電容的電容值為Q = 2^2(：，其中i為2彡i彡N-1的自然數(shù)；所述反相電容網(wǎng)絡(luò)中， 第一電容的電容值為C，第二至第N-1個電容的電容值為Q = 2^2(：，其中i為2彡i彡N-1 的自然數(shù)。
[0007] -種基于上述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，所述電容網(wǎng)絡(luò)中包括N個 電容對，電容從最高位至最低位依次為第N電容至第一電容；通過N+1次比較實現(xiàn)N+1位精 度轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換過程包括如下步驟：
[0008] 采樣階段：
[0009] 正相電容網(wǎng)絡(luò)中，正相開關(guān)在控制電路的驅(qū)動下閉合，第一電容至第N電容的公 共端接輸入信號Vip，同時在控制電路驅(qū)動下，最高位電容即第N電容接低電平VL，第一至 第N-1電容接高電平VH ;反相電容網(wǎng)絡(luò)中，反相開關(guān)在控制電路的驅(qū)動下閉合，第一電容至 第N電容的公共端接輸入信號Vin，同時在控制電路驅(qū)動下，最高位電容即第N電容接高電 平VH，第一至第N-1電容接低電平VL ;
[0010] 比較階段：
[0011] I第1次比較：
[0012] 正相開關(guān)Kp和反相開關(guān)Kn均斷開，同時，正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)中，所有 電容的非公共端分所接電平保持不變；正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)中電荷量保持不變， 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電荷重分配；比較器比較正相輸入端電壓v xp和反相輸入端電壓vxn大小 并輸出結(jié)果到控制電路；若Vxp > vxn，即vip-vin > 0,則控制電路將二進(jìn)制編碼最高位BN+1置 1，若vxp小于Vxn，S卩vip-vin < 0,則控制電路將二進(jìn)制編碼最高位BN+1置0 :
[0013] II令i為2彡i彡N-ι的整數(shù)，依次進(jìn)行第i = 2至第i = N-ι次比較：
[0014] 在第i-Ι次比較結(jié)束后，根據(jù)比較器輸出的信號值，由控制電路對正相電容網(wǎng)絡(luò) 和反相電容網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)進(jìn)行如下切換：在第i-Ι次比較時，若V xp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則 控制電路將正相網(wǎng)絡(luò)中的第Ν-i+l電容的非公共端接低電平VL，使反相網(wǎng)絡(luò)中的第N-i+1 電容的非公共端接高電平VH ;若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin < 0,則控制電路將正相網(wǎng)絡(luò)中的第 N-i+2電容和第N-i+2電容的非公共端分別接高電平VH和低電平VL，使反相網(wǎng)絡(luò)中的第 N-i+2電容和第N-i+2電容的非公共端分別接低電平VL和高電平VH ;正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相 電容網(wǎng)絡(luò)中電荷量保持不變，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電荷重分配；比較器比較正相輸入端電壓 Vxp和反相輸入端電壓Vxn大小并輸出結(jié)果到控制電路：若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制 電路將二進(jìn)制編碼第N-i+2位BN_i+2置1 ;若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin < 0,則控制電路將二進(jìn) 制編碼第N-i+2位BN_i+2置0 ;
[0015] III第N次比較：
[0016] 在第N-1次比較結(jié)束后，根據(jù)比較器輸出的信號值，由控制電路對正相電容網(wǎng)絡(luò) 和反相電容網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)進(jìn)行如下切換：若第N-1次比較時，若V xp > Vxn，即Vip_Vin > 0,則控 制電路將正相網(wǎng)絡(luò)中的最低位電容即第一電容的非公共端接共模電平，使反相網(wǎng)絡(luò)中的 最低位電容即第一電容的非公共端接共模電平;若V xp小于Vxn，即Vip-Vin < 0,則控制電 路將正相網(wǎng)絡(luò)中的第二電容和第一電容的非公共端分別接高電平VH和共模電平V"，使反 相網(wǎng)絡(luò)中的第二電容和第一電容的非公共端接低電平VL和共模電平V" ;正相電容網(wǎng)絡(luò)和 反相電容網(wǎng)絡(luò)中電荷量保持不變，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電荷重分配；比較器比較正相輸入端 電壓Vxp和反相輸入端電壓V xn大小并輸出結(jié)果到控制電路：若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則 控制電路將二進(jìn)制編碼第2位B2置1，若Vxp小于Vxn，即V ip-Vin < 0,則控制電路將二進(jìn)制 編碼第2位B2置0 ;
[0017] IV第N+1次比較：
[0018] 在第N次比較結(jié)束后，根據(jù)比較器輸出的信號值，由控制電路對正相電容網(wǎng)絡(luò)和 反相電容網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)進(jìn)行如下切換：若第N次比較時，若V xp > Vxn，即Vip_Vin > 0,則控制電 路將正相網(wǎng)絡(luò)中的最低位電容即第一電容的非公共端接低電平VL，反相網(wǎng)絡(luò)不變；若Vxp小 于vxn，g丨

【權(quán)利要求】
1. 一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括比較器和開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)；所述開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)包括 連接所述比較器正相輸入端的正相電容網(wǎng)絡(luò)和連接所述比較器反相輸入端的反相電容網(wǎng) 絡(luò)；其特征在于：所述正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)分別包括比模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制 編碼位數(shù)N少一個的N-1個電容，每個電容非公共端通過開關(guān)選擇連接低電平VL或高電平 VH，最低位電容通過開關(guān)選擇連接低電平VL、高電平VH或共模電平Vcm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于：所述正相電容網(wǎng) 絡(luò)的電容公共端耦合在一起連接到所述比較器的正相輸入端并通過正相開關(guān)連接輸入信 號Vip ;所述正相電容網(wǎng)絡(luò)的電容非公共端分別通過開關(guān)選擇連接低電平VL或高電平VH ; 正相電容網(wǎng)絡(luò)的最低位電容的非公共端還通過開關(guān)選擇連接共模電平Vcm ;所述反相電容 網(wǎng)絡(luò)的電容公共端耦合在一起連接到所述比較器的反相輸入端并通過反相開關(guān)連接輸入 信號Vin;所述反相電容網(wǎng)絡(luò)的電容非公共端分別通過開關(guān)選擇連接低電平VL或高電平 VH ;反相電容網(wǎng)絡(luò)的最低位電容的非公共端還通過開關(guān)選擇連接共模電平Vcm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于：所述正相電容網(wǎng) 絡(luò)中，最低位電容即第一電容的電容值為C，第二至第N-1個電容的電容值為q = 2^2(：，其 中i為2彡i彡N-1的自然數(shù)；所述反相電容網(wǎng)絡(luò)中，第一電容的電容值為C，第二至第N-1 個電容的電容值為Q = 2^2(：，其中i為2彡i彡N-1的自然數(shù)。
4. 一種基于上述逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于：所述電容網(wǎng)絡(luò) 中包括N個電容對，電容從最高位至最低位依次為第N電容至第一電容；通過N+1次比較實 現(xiàn)N+1位精度轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換過程包括如下步驟： 采樣階段： 正相電容網(wǎng)絡(luò)中，正相開關(guān)在控制電路的驅(qū)動下閉合，第一電容至第N電容的公共端 接輸入信號Vip，同時在控制電路驅(qū)動下，最高位電容即第N電容接低電平VL，第一至第N-1 電容接高電平VH ;反相電容網(wǎng)絡(luò)中，反相開關(guān)在控制電路的驅(qū)動下閉合，第一電容至第N電 容的公共端接輸入信號Vin，同時在控制電路驅(qū)動下，最高位電容即第N電容接高電平VH， 第一至第N-1電容接低電平VL ; 比較階段： I第1次比較： 正相開關(guān)Kp和反相開關(guān)Kn均斷開，同時，正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)中，所有電容 的非公共端分所接電平保持不變；正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)中電荷量保持不變，開關(guān) 電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電荷重分配；比較器比較正相輸入端電壓V xp和反相輸入端電壓Vxn大小并輸 出結(jié)果到控制電路；若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制電路將二進(jìn)制編碼最高位BN+1置1， 若VXP小于Vm，即^ f <0，則控制電路將二進(jìn)制編碼最高位BN+1置〇 : II令i為2彡i彡N-1的整數(shù)，依次進(jìn)行第i = 2至第i = N-1次比較： 在第i-Ι次比較結(jié)束后，根據(jù)比較器輸出的信號值，由控制電路對正相電容網(wǎng)絡(luò)和反 相電容網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)進(jìn)行如下切換：在第i-Ι次比較時，若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制電 路將正相網(wǎng)絡(luò)中的第Ν-i+l電容的非公共端接低電平VL，使反相網(wǎng)絡(luò)中的第Ν-i+l電容的 非公共端接高電平VH ;若Vxp小于Vxn，即Vip-Vin < 0,則控制電路將正相網(wǎng)絡(luò)中的第N-i+2 電容和第N-i+2電容的非公共端分別接高電平VH和低電平VL，使反相網(wǎng)絡(luò)中的第N-i+2電 容和第N-i+2電容的非公共端分別接低電平VL和高電平VH ;正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng) 絡(luò)中電荷量保持不變，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電荷重分配；比較器比較正相輸入端電壓vxp和反 相輸入端電壓vxn大小并輸出結(jié)果到控制電路：若vxp > vxn，即vip-vin > 0,則控制電路將二 進(jìn)制編碼第N-i+2位BN_i+2置1 ;若Vxp小于Vxn，即vip-vin < 0,則控制電路將二進(jìn)制編碼第 N-i+2 位 BN_i+2 置 0 ; III第N次比較： 在第N-1次比較結(jié)束后，根據(jù)比較器輸出的信號值，由控制電路對正相電容網(wǎng)絡(luò)和反 相電容網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)進(jìn)行如下切換：若第N-1次比較時，若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制電 路將正相網(wǎng)絡(luò)中的最低位電容即第一電容的非公共端接共模電平，使反相網(wǎng)絡(luò)中的最低 位電容即第一電容的非公共端接共模電平V M;gVxp小于Vxn，即g <0,則控制電路將 正相網(wǎng)絡(luò)中的第二電容和第一電容的非公共端分別接高電平VH和共模電平V"，使反相網(wǎng) 絡(luò)中的第二電容和第一電容的非公共端接低電平VL和共模電平;正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相 電容網(wǎng)絡(luò)中電荷量保持不變，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電荷重分配；比較器比較正相輸入端電壓 Vxp和反相輸入端電壓Vxn大小并輸出結(jié)果到控制電路：若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制 電路將二進(jìn)制編碼第2位B2置1，若Vxp小于Vxn，即V ip-Vin < 0,則控制電路將二進(jìn)制編碼 第2位B2置0 ; IV第N+1次比較： 在第N次比較結(jié)束后，根據(jù)比較器輸出的信號值，由控制電路對正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相 電容網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)進(jìn)行如下切換：若第N次比較時，若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制電路將 正相網(wǎng)絡(luò)中的最低位電容即第一電容的非公共端接低電平VL，反相網(wǎng)絡(luò)不變；若Vxp小于 Vm，即Vip-Vin<0,則控制電路將反相網(wǎng)絡(luò)中的最低位電容即第一電容的非公共端接低電平 VL，正相網(wǎng)絡(luò)不變；正相電容網(wǎng)絡(luò)和反相電容網(wǎng)絡(luò)中電荷量保持不變，開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電 荷重分配；比較器比較正相輸入端電壓V xp和反相輸入端電壓Vxn大小并輸出結(jié)果到控制電 路：若Vxp > Vxn，即Vip-Vin > 0,則控制電路將二進(jìn)制編碼最低位&置1，若Vxp小于Vxn，即 Vip_Vin < 〇,貝1J控制電路將二進(jìn)制編碼最低位置0 ; 最后，將該N+1位二進(jìn)制碼寫入控制電路寄存器中，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。
【文檔編號】H03M1/38GK104124973SQ201410392204
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】吳建輝, 王海冬, 卜亮宇, 郭娜, 林志倫, 李紅, 黃成 , 陳超 申請人:東南大學(xué)